刺激響應(yīng)智能材料可以對(duì)外界的刺激（諸如應(yīng)力，光，電，熱等）做出應(yīng)答，引起其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)重排近而發(fā)生物理相轉(zhuǎn)變。這一原理同樣適用于工程化生物大分子流體體系。最近一項(xiàng)來(lái)自中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)所劉凱研究員課題組的研究成果表明，在剪切應(yīng)力移除后，發(fā)生無(wú)序-有序相轉(zhuǎn)變的蛋白流體仍持久穩(wěn)定地保留了力致相變液晶結(jié)構(gòu)。并且通過(guò)簡(jiǎn)單的光學(xué)顯示技術(shù)可以檢測(cè)并收集基于不同剪切應(yīng)力的雙折射圖譜，尤其該技術(shù)可用于檢測(cè)并記錄生物信息指紋圖譜，相關(guān)成果以“Genetically Engineered Supercharged Polypeptide Fluids: Fast and Persistent Self-Ordering Induced by Touch”發(fā)表在Angew. Chem.（DOI: 10.1002/anie.201803169）。
在軟物質(zhì)領(lǐng)域，對(duì)剪切力誘導(dǎo)的相轉(zhuǎn)變行為的研究已經(jīng)非常深入，并且這對(duì)塑料和石油工業(yè)的加工優(yōu)化過(guò)程起到非常重要的指導(dǎo)作用。但是目前報(bào)道的流體相轉(zhuǎn)變行為在剪切力移除后不能保持，從而極大限制了它們的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。此外，對(duì)生物大分子流體的剪切誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)變行為的研究和它們?cè)谏镄畔㈩I(lǐng)域的應(yīng)用還沒(méi)有深入發(fā)掘。
針對(duì)以上問(wèn)題，中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所劉凱研究員課題組和荷蘭格羅寧根大學(xué)/德國(guó)亞琛萊布尼茨交互材料研究所Andreas Herrmann教授團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)分子生物學(xué)重組技術(shù)和化學(xué)修飾策略，設(shè)計(jì)并制備了一種對(duì)外界剪切力響應(yīng)靈敏的新型蛋白流體材料。通過(guò)簡(jiǎn)單的應(yīng)力觸碰，該蛋白流體就隨即發(fā)生無(wú)序-有序相轉(zhuǎn)變行為，而且在剪切力移除后，有序液晶結(jié)構(gòu)可以完美保持。基于所施加的剪切應(yīng)力（簡(jiǎn)單按壓、水流沖刷、手指觸碰等），該體系會(huì)產(chǎn)生特定的雙折射紋理圖案，因此通過(guò)簡(jiǎn)單的偏振光譜學(xué)技術(shù)就可用于揭示諸如指紋等與生物識(shí)別相關(guān)的細(xì)節(jié)信息。
圖1：工程化蛋白流體：剪切力響應(yīng)的無(wú)序-有序相轉(zhuǎn)變。剪切力移除后，液晶結(jié)構(gòu)可穩(wěn)定保持。
研究人員首先通過(guò)重組蛋白技術(shù)合成了超電荷的非折疊蛋白分子，然后通過(guò)靜電作用力在側(cè)鏈引入偶氮苯功能團(tuán)。該蛋白復(fù)合物在水相中發(fā)生相分離，形成富含水的橙紅色流體。在施加一系列不同環(huán)境中的微弱剪切力后，該流體分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)從無(wú)序到向列型取向轉(zhuǎn)變非常靈敏（圖1）。深入研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)鏈修飾的偶氮苯基團(tuán)對(duì)穩(wěn)定蛋白流體的液晶結(jié)構(gòu)起到重要的作用。大自然環(huán)境中剪切力無(wú)處不在，例如研究人員發(fā)現(xiàn)水的沖刷剪切也會(huì)導(dǎo)致該流體材料的相轉(zhuǎn)變（圖2），并且基于不同的水流速會(huì)產(chǎn)生不同大小的雙折射區(qū)域，因此通過(guò)量化雙折射就可以檢測(cè)外界環(huán)境中剪切力的強(qiáng)弱。非常有意思的是，手指尖觸碰該生物流體材料，會(huì)產(chǎn)生基于指紋圖案的雙折射紋理（圖2）。換言之，手指指紋的細(xì)枝末節(jié)、隆起以及線條等各類細(xì)節(jié)都能完好地通過(guò)雙折射圖譜展現(xiàn)并存儲(chǔ)起來(lái)。因此該類工程化蛋白流體材料有望用于記錄、展示生物微觀識(shí)別和圖譜信息。該研究成果自發(fā)表以來(lái)迅速得到了國(guó)際科技媒體的廣泛關(guān)注和報(bào)道，美國(guó)的ScienceDaily 、歐洲的ChemViews Magazine、Chemie.de、Analytica-world等均對(duì)該成果進(jìn)行了專題報(bào)道。
圖2：工程化蛋白流體：基于不同環(huán)境的剪切力誘導(dǎo)的雙折射圖案
以上工作得到了中組部、國(guó)家基金委、中科院、長(zhǎng)春應(yīng)化所和稀土資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)的研究資助，中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所為第一完成單位，荷蘭格羅寧根大學(xué)為第二完成單位，浙江大學(xué)和青島科技大學(xué)也參與了該項(xiàng)目研究。劉凱研究員和Andreas Herrmann教授為通訊作者，張蕾博士和馬超博士為第一作者。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201803169
