海洋固着生物如贻贝、藤壶、沙堡蠕虫、扇贝等，依靠分泌的粘附蛋白在水下实现牢固附着，启发了仿生医用粘合剂的设计。经典的贻贝粘附蛋白依赖3,4-二羟基苯丙氨酸（Dopa）形成交联网络，然而Dopa稳定性较差、化学合成复杂，限制了其工程化应用，因此寻找非Dopa依赖的新型海洋粘附机制成为国际研究热点。由于海洋粘附蛋白多以高度动态的聚合体形式存在，传统晶体学和冷冻电镜难以直接解析其天然溶液状态下的构象变化，自组装机制长期缺乏直接结构证据。

近日，中国海洋大学刘伟治教授联合香港城市大学储祥蔷教授和中国科学院上海高等研究院李娜研究员，交叉利用生物物理学、计算生物学和材料科学技术手段，多尺度阐明了非Dopa依赖型海洋粘附蛋白实现牢固水下粘附的新机制。研究发现二硫键可作为“共价贴纸”驱动海洋粘附蛋白层级自组装的新机制，为新型海洋仿生粘合剂的设计提供了新思路。相关成果以“A Disulfide-Sticker Strategy for Marine Adhesive Coatings: From Deciphering Self-Assembly Mechanism to Functional Application in Hair Regeneration”为题发表在综合性期刊Advanced Science上。研究团队依托上海同步辐射光源BL19U2生物小角散射线站，在天然溶液环境下实时解析了海洋粘附蛋白受氧化还原环境调控的构象演化过程，为建立“蛋白结构变化—超分子组装—材料功能”之间的关联提供了关键结构证据，充分体现了同步辐射溶液SAXS在解析动态生物体系中的独特优势，为理解海洋生物多样化的粘附模式提供了新工具。

同步辐射溶液SAXS能够直接在接近生理条件下解析蛋白整体尺寸、构象和组装状态变化，是研究动态生物体系的重要结构生物学技术。本研究中，研究团队利用上海同步辐射光源BL19U2生物小角散射线站，对海洋粘附蛋白Sbp9∆进行了原位溶液SAXS测试，直接捕捉到了蛋白在氧化与还原环境中的构象转换。结果表明，氧化态Sbp9∆因形成了分子间和分子内的二硫键交联，呈现出一种刚性的长棒状结构，其回转半径更大、分子长度更长，整体处于“锁定”状态。这种伸展的刚性构象促进了蛋白分子高效组装成涂层材料。相反，当二硫键被还原断裂后，蛋白失去稳定交联，转变为一种柔韧、松弛的“解锁”状态，回转半径和分子长度的明显缩短，整体构象更加松散，组装能力显著降低。借助同步辐射BioSAXS获得的高质量散射数据，研究团队进一步建立了蛋白构象变化与组装行为之间的定量关系，揭示了二硫键动态形成与断裂是调控海洋粘附蛋白层级组装的关键“构象开关”。这一发现不仅阐明了非Dopa依赖型海洋粘附的新机制，也为环境响应型智能粘附材料的理性设计提供了重要的结构依据。

图1 二硫键介导的海洋粘附蛋白Sbp9∆自组装机制研究。a）海洋粘附生物；b）含EGF结构域的海洋粘附蛋白；c）Sbp9∆二级结构组成；d）TEM图像；e）SAXS曲线及拟合模型；f）二硫键介导的蛋白组装示意图

近年来，越来越多的科学研究成果表明，真正决定生物功能的往往不是生物分子静态结构，而是其在天然溶液环境中的动态构象变化和超分子组装过程。研究这些分子的动态结构变化正是同步辐射生物小角散射的优势所在。本研究充分发挥了上海同步辐射光源BL19U2生物小角散射线站的技术优势，在接近生理条件下实现了海洋粘附蛋白整体构象及组装过程的实时解析，成功揭示了传统静态结构技术难以直接获得的氧化还原响应机制。同步辐射溶液SAXS不仅提供了蛋白尺寸、形貌和柔性变化等关键结构信息，更建立了“动态构象—层级组装—生物功能”之间的完整证据链，为理解复杂生物体系的工作机制提供了新的研究范式。

随着同步辐射高通量自动化测试、时间分辨SAXS、SEC-SAXS及多技术联用平台的发展，BioSAXS正不断从“结构表征工具”迈向“科学发现平台”，持续赋能蛋白科学、海洋生物学、生物材料及生物医药等领域的重要原创研究。

论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/advs.76497