Matter：刘田教授团队和杨青研究员团队合作阐明飞蝗上颚关键蛋白决定飞蝗机械性能的分子机制

近日，大连理工大学刘田教授团队和中国农业科学院农业基因组研究所杨青研究员团队合作继在国际权威期刊ACS Nano上发表研究论文之后（ACS Nano, 2023, 17, 25311，点击阅读详细），又在国际权威期刊Matter 上发表研究论文，阐明了关键结构蛋白决定飞蝗上颚机械性能的分子机制。

结构蛋白不仅是生物体的重要结构组分，而且也是可持续发展材料的重要来源。人类早在8500年前就开始利用蚕丝。近年来，随着碳中和理念的不断深入，蛋白材料越来越受到关注，也亟需发现蚕丝蛋白以外的更多具有新序列特征及优异机械性能的结构蛋白。飞蝗是一种重要的农牧业害虫，终生都在进食，其坚硬耐磨的上颚就是探索新结构蛋白的宝库。因此，发现决定飞蝗上颚机械性能的关键结构蛋白并阐明其分子机制，不仅对于揭示昆虫表皮形成机制具有重要意义，也可以为可持续坚硬材料的开发提供了一种新的原材料。

通过分析飞蝗上颚蛋白组，作者发现一高表达的表皮蛋白LmCPH-1。RNA干扰实验表明，当LmCPH-1基因被沉默时，飞蝗部分死亡，存活飞蝗的上颚表面也磨损严重。纳米压痕实验表明，飞蝗上颚机械性能显著下降。通过重组表达和性质表征发现，LmCPH-1蛋白没有几丁质结合活性，但是有较强的自组装能力。LmCPH-1可以通过液-液相分离形成初级团聚体，氢键在其初级团聚体的形成中起着关键作用。初级团聚体会随着时间进行逐级自组装，从球体变成棒状体，最后融合成一个致密的薄膜。在此过程中，β-片层/晶体等二级结构比例逐渐提高，β-转角含量逐渐下降。利用原子力显微镜和纳米压痕表征薄膜，发现其机械性能（模量12 GPa）优于目前已知的纯蛋白材料，甚至蜘蛛丝。分子动力学模拟表明，LmCPH-1是通过N/Q等侧链形成的氢键诱导主链之间形成氢键，进而形成β-片层/晶体结构，其中蛋白的C-端部分在其层级自组装过程中发挥关键作用。综上LmCPH-1可能是通过层级自组装形成坚硬的“混凝土”来填充上颚的几丁质骨架，从而强化了飞蝗上颚的机械性能。

图1. 本研究的技术路线图。图片来源：Matter

本工作受到了国家高层次人才特殊支持计划、国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持。大连理工大学博士生祁惠棠和硕士生滕英达为本文的共同第一作者，刘田教授和杨青研究员为共同通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Major structural protein in locust mandible capable of forming extraordinarily stiff materials via hierarchical self-assembly

Huitang Qi, Yingda Teng, Sizhe Chen, Fenghou Yuan, Lei Chen, Xiangyu Liang, Qing Yang, Tian Liu

Matter, 2024, DOI: 10.1016/j.matt.2024.01.020

通讯作者简介

刘田，教授，博士生导师，入选国家级青年人才计划。主要研究方向是从昆虫表皮形成的关键蛋白入手，发现有害生物控制新靶标、研发绿色植保产品、寻找生物材料设计新思路及开发生物资源利用新酶。曾在Matter、ACS Nano、Biotechnol. Adv.、Cell Rep. Phys. Sci.及J. Agric. Food Chem.等SCI期刊发表论文60余篇，近5年他引>1200次，h-index>25。担任Curr. Med. Chem.、Front. Mol. Biosci.及Heliyon等SCI期刊副主编或编委，《农药学学报》青年编委会副主任。在研国家自然科学基金(2项)、国家重点研发计划子课题(2项)及Bayer公司Grants4Ag 2023等项目。课题组常年招收博士后、博士生及硕士生，欢迎对科研工作有兴趣、对自己未来有规划的优秀青年加盟！

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