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奧妙生命魔法系列細菌工廠:蛋白水凝膠 見光識落藥

2019-12-28
■孫飛成功製造出創新的「全蛋白智能水凝膠」。 香港文匯報記者  攝■孫飛成功製造出創新的「全蛋白智能水凝膠」。 香港文匯報記者 攝

大腸桿菌化身工廠 全球首創「四臂」蛋白

總導言:生命是大自然最奧妙的事物,隨茯儩リ竷頁i步,人類現今已能利用生命物質為原料,如同變魔法一般重新設計與創造,以先進的物料與技術,應對醫學需要、解決生活問題及推動社會發展。

香港文匯報就此生命科學熱潮推出系列報道,探索本港研究人員相關工作與成果,透過滿有科幻意味的合成生物學、幹細胞科研及基因工程等領域,讓細菌變作「工廠」及「機器」發揮不同功用,以及激發細胞發育潛能;藉此帶引讀者大眾,品味科學與生命連結的奧妙。

生物材料是當代火熱的科技範疇,科技大學化學工程及生物工程學系助理教授學者孫飛及其團隊,最近成功以合成生物學方式,將細菌變身成「工廠」製造出全球首創的四臂星狀蛋白(4-arm star proteins);其特殊的非線性形狀,能自行組裝成具立體分子網絡結構、可有效裝載細胞及藥物的水凝膠物料。團隊更取得空前突破,做到以原子精度預測水凝膠的形態,及為其加添「遇光即溶」智能特性,大大拓展了水凝膠於醫學方面的應用。

■香港文匯報記者 詹漢基

水凝膠(hydrogels)是形態百變的材料,有如亶禫諝i以鎖住大量水分而不會蒸發,其「如膠似水」的特性,讓它經常用於生物相關範疇如面膜、隱形眼鏡等的製造,而在醫學層面亦深具潛力。

孫飛表示,水凝膠本質是親水的共價高分子網絡,常見的水凝膠都是以人工合成、化學合成的方式製造,「而我們是利用合成生物學設計出一類全新的材料」,以基因改造後的大腸桿菌為「工廠」,生產出所需要的特別蛋白分子,繼而「自組裝」形成創新的「全蛋白智能水凝膠」。

其團隊是世界首創利用修改過基因序列的大腸桿菌,在細胞內將兩個不同的蛋白質片段,直接合成非線性的四臂星狀蛋白分子,擺脫自然界的桎梏。孫飛解釋,「很多細菌自然所製造的蛋白質,都是線性的高分子,縱使可以透過摺疊成為三維結構,但本質還是線性,就像麵條一樣;今次可說是一個重要突破!」

擁四條手臂 攜細胞藥物

他提到,團隊過往發佈的智能水凝膠雛型,亦是以線性蛋白質分子組裝而成,「但那只是『水劑』的聚合反應,我們無法精確地控制水凝膠的分子網絡及其形態。」相對來說,創新的四臂星狀蛋白分子具獨特形狀,就像有四根手臂從中間延伸出來,多個四臂分子交連形成網絡狀空間結構,可以裝載細胞和藥物;同時團隊也能有效掌握四臂分子的行為反應,以原子精度計算出水凝膠形態,做到突破性的精準控制。

至於「自組裝」特性亦有利操作,因為蛋白分子通常很脆弱,若透過加熱或產生化學反應來進行組裝,容易破壞蛋白的活性,孫飛說:「只要將它們(四臂星狀蛋白)混合到一起,就會互相識別、反應,繼而組裝成水凝膠物料,我們不需要做任何事情、不需要任何化學修飾,容易在細胞活體內進行。」

遇光變液態 分子免破壞

該水凝膠擁有「光響應」的智能功能,因為當中加上了自然界中的「光敏」蛋白質,所以對外在的刺激信號有反應,光一照上去,水凝膠就由固態轉化為液態。孫飛解釋,由於智能水凝膠採取自組裝的策略,正如上文提到,這種組裝策略不會破壞蛋白分子,「我們可輕鬆地把蛋白質層面的『光敏』功能,轉移、轉變為材料的性能。」

他表示,由於智能水凝膠「見光即溶」的特性,將來可以將蛋白質藥物,例如胰島素等裹在水凝膠中,進入身體後再以光線控制其釋放的時機;甚至能以水凝膠為載體,將人體細胞注射到身體裡面,進行細胞修復工作;未來甚至有望成為「超級膠布」,直接敷在皮膚傷口上加速復原......水凝膠的狀態千變萬化,其醫療潛力可謂無限大。

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