南京大学《自然·通讯》：不靠堆长度，靠“更稳的单体”：4聚体纺出372 MPa纤维

传统上，制备高强度蛋白纤维主要依赖高分子量聚合物的组装，即通过增加多肽链中的串联重复数来获得力学性能，但这种“重复数策略”天然地把优异力学性能与日益加重的生产难题绑定在一起：较长的重组基因容易发生遗传不稳定性，微生物宿主中的表达产量显著下降，蛋白纯化也越来越困难，从而根本上限制了可扩展性和实际应用。尽管合成蛋白纤维在模仿天然丝或弹性蛋白的强度与韧性方面一直是材料科学的重要目标，并有望结合高比力学性能、生物基生产、可降解性、生物相容性和遗传可编程功能，但如何在不依赖高重复数的前提下获得高性能，仍是该领域面临的核心挑战。

针对这一挑战，南京大学郑鹏教授、中国科学院大学苏娟娟研究员合作，提出了一种相反的范式：宏观强度并非来自链长，而是来自每个重复单元内在机械稳定性的提高。研究团队利用计算设计的免疫球蛋白结构域SuperMyo蛋白，将承载力的β链工程化为超致密氢键网络，使其在1000 nm s⁻¹拉伸速度下的解折叠力几乎达到天然免疫球蛋白结构域的两倍；当这些设计单元组装成仅含四个重复的最小四聚体构建体时，仍保持高纳米力学稳定性。通过湿纺，这些四聚体形成连续宏观纤维，拉伸强度最高达372 MPa，韧性达61 MJ m⁻³，性能与既往由含更多重复（如64聚体）的聚合物纺制的纤维相当或更优。结构分析证实，单体稳定性的增强促进了纤维形成过程中更优的β折叠结晶和取向，表明工程化蛋白构建块的机械稳定性是一种从低重复数构建体生产强蛋白纤维的潜在策略，为制造高性能蛋白基材料建立了更高效、更可扩展的基础。相关论文以“Ultrastable de novo SuperMyo proteins enable high-performance macroscopic fibers from minimal repeats”为题，发表在Nature Communications上。

研究首先从天然肌联蛋白的免疫球蛋白结构域出发（图1a），通过计算设计延长承载力β链并系统优化骨架氢键网络，使A339和B42分别容纳8个和13个协同氢键（图1b），再将其构建为仅含四个重复的四聚体（图1c）；随后采用湿纺，将高浓度蛋白溶于甲酸并挤入乙醇凝固浴，借助剪切诱导取向、溶剂交换、脱水和甲酸扩散促进结构重组与分子间富含β折叠的组装，最终收集干燥得到连续纤维（图1d）。结构比较显示，SuperMyo四聚体纤维具有更发达的富含β折叠结构域、更高的β折叠有序度和轴向取向，并形成更大的有序结构域，其中（B42）4mer的有序结构域最大（图1f）。

图1SuperMyo蛋白纤维的设计与组装。

为了验证短四聚体是否保留单体的超强机械稳定性，研究采用AFM单分子力谱，将四聚体通过Fgb-SdrG手柄拉动并引入三个GB1作为指纹（图2a）。力-延伸曲线呈现特征锯齿图案，轮廓长度增量确认了结构域的顺序解折叠（图2b）；在1000 nm s⁻¹拉伸速度下，最可几解折叠力分别为（Ig27）4mer 257±2 pN、（A339）4mer 406±2 pN和（B42）4mer 443±1 pN，与孤立单体的机械稳定性排序一致（图2c）。加载速率依赖实验和Bell-Evans分析进一步显示，SuperMyo四聚体具有更低的 extrapolated zero-force off rate，而过渡态距离仍保持在约0.25 nm，说明延长的β链内协同氢键网络赋予了短四聚体更强的动力学稳健性（图2d）。

图2SuperMyo四聚体的机械稳定性。

在此基础上，研究通过拉伸测试评估后拉伸纤维的宏观力学性能（图3a—c），发现（A339）4mer纤维平均拉伸强度为302.0±23.3 MPa，（B42）4mer纤维平均为347.9±15.0 MPa，最强单根（B42）4mer纤维达372.7 MPa，而（Ig27）4mer对照平均为245.6±12.1 MPa；（Ig27）4mer、（A339）4mer和（B42）4mer的平均韧性分别为33.1±7.6、45.7±10.7和47.1±7.5 MJ m⁻³，杨氏模量也从（Ig27）4mer的2.74±0.21 GPa提高到（A339）4mer的3.20±0.26 GPa和（B42）4mer的3.51±0.31 GPa（图3d、e）。SEM显示后拉伸纤维直径均匀、结构稳健、无明显缺陷（图3f），强度-分子量图进一步表明本工作纤维以很小的分子量增加实现了显著强度提升，其强度-分子量比明显超过以往依赖大量聚合的体系，说明低重复数构建体同样可以获得高性能纤维（图3g）。

图3SuperMyo纤维的力学性能。

为解释这种宏观性能提升的结构来源，研究利用偏振拉曼光谱、WAXS、ThT荧光和TEM对纤维进行表征。偏振拉曼中1670 cm⁻¹处β折叠相关酰胺I强度的有序度排序为（B42）4mer＞（A339）4mer＞（Ig27）4mer，偏振各向异性参数显示SuperMyo纤维具有更强的轴向取向（图4a—c）；WAXS中（A339）4mer和（B42）4mer纤维出现分别归属于链间氢键间距和富含β折叠结晶结构域片层间距的两个特征反射，而（Ig27）4mer仅显示一个反射，且（B42）4mer具有更扩展的富含β折叠结晶结构域（图4d—f）。ThT荧光和TEM进一步显示（B42）4mer具有最强的ThT荧光并形成更长的原纤维前体，表明增强的分子间氢键、更大的纳米尺度结晶结构域和更好的轴向取向共同贡献于性能提升。

图4蛋白纤维的结构表征与自组装行为分析。

为从局部分子界面层面支持上述机制，研究从AlphaFold3预测的四聚体组装体中提取Ig27、A339和B42的二聚体界面模型，在纯乙醇中进行三次独立500 ns全原子分子动力学模拟，并开展100次独立牵引分子动力学模拟。所有建模界面均保持结合并维持链间骨架氢键，时间依赖的氢键数及其分布从Ig27到A339和B42逐步增加，平均值分别为2.56、5.32和7.55（图5a—c）；最大解离力平均值分别为791、992和1529 pN，说明SuperMyo界面中更多、更持久的链间氢键伴随更强的抗机械分离能力（图5d—f）。作者同时指出，这些模拟并非完整纤维结构的原子级重构，而是为延长的β链和更致密氢键基序能够形成机械稳健的分子间β折叠界面提供局部分子层面的支持。

图5预组装链间β界面模型的条件稳定性和受迫分离。

最后，研究通过原位和离位圆二色谱以及热处理后纤维拉伸测试考察热稳定性。原位圆二色谱显示，（Ig27）4mer在加热过程中发生热变性，Tm为53.6°C；而（A339）4mer和（B42）4mer在25—95°C范围内未出现热变性（图6a—c）。将蛋白溶液进一步加热至150°C后，二者的光谱变化很小，二级结构仍保持完整。纤维在90°C、150°C和200°C处理2小时后于室温测试，90°C时（A339）4mer和（B42）4mer的极限拉伸强度分别为296.8±17.9 MPa和341.0±12.2 MPa，150°C时分别为266.9±18.5 MPa和323.8±14.5 MPa，仍与25°C原始纤维相当，而（Ig27）4mer纤维在150°C加热后极限拉伸强度和韧性显著下降（图6d—i）。这种耐高温性能与设计的β链/氢键基序以及更大的富含β折叠有序结构域有关，也使纤维有潜力用于需要高温高压灭菌的医学应用。

图6SuperMyo蛋白纤维的热稳定性。

综上，该工作通过计算设计的SuperMyo蛋白四聚体建立了从纳米尺度设计到宏观功能的桥梁，其核心在于以超高的单体稳定性替代对高重复数的依赖。SuperMyo体系将高力学性能、热稳定性和生产效率结合起来，高产量表达和仅需四个重复的低重复数要求提供了可扩展制造优势，模块化设计还便于整合功能结构域以定制纤维性能。作者认为，这一体系为同时实现高力学性能、热韧性和生产效率的蛋白基材料提供了可推广框架，并为生物医学和先进材料中高要求的应用开辟了道路。