苔藓光生物反应器：重组蛛丝蛋白生产的新希望

蛛丝蛋白（Spidroins）应用前景广阔，但蜘蛛养殖困难限制其大规模生产。研究人员以小立碗藓（Physcomitrella patens）为平台，开展重组蛛丝蛋白生产研究。结果表明，小立碗藓可稳定生产重组蛛丝蛋白，产量超 0.82mg/g 鲜重，为蛛丝蛋白生产开辟新途径。

　　在神奇的自然界中，蜘蛛吐出的蛛丝宛如隐藏着无尽奥秘的宝藏。蛛丝，尤其是牵引丝（Dragline silk），不仅强度惊人，能与许多商业合成纤维相媲美，而且具备出色的弹性和生物相容性，这使得它在纺织、医疗等众多领域都有着巨大的应用潜力。想象一下，用蛛丝制成的人造血管，既坚韧又能与人体完美融合，助力患者重获健康；或是用蛛丝打造的高性能纺织品，兼具美观与耐用。然而，现实却给这美好的愿景泼了冷水。蜘蛛生性凶猛、自相残杀，难以大规模养殖，使得蛛丝的大规模生产成为了一个棘手的难题。

为了解决这一困境，来自德国弗莱堡大学（University of Freiburg）的研究人员开启了一场探索之旅。他们将目光投向了小立碗藓（Physcomitrella patens）这种神奇的植物，试图将其打造成生产重组蛛丝蛋白的高效平台。经过一系列艰苦的研究，他们取得了令人瞩目的成果，相关论文发表在《Plant Cell Reports》上。这一成果为蛛丝蛋白的生产带来了新的希望，有望推动相关领域的巨大变革。

研究人员在这项研究中主要运用了以下几种关键技术方法：一是基因工程技术，对蛛丝蛋白基因进行优化和载体构建，使其能在小立碗藓中表达；二是利用共聚焦显微镜技术观察蛋白表达和定位；三是通过蛋白质免疫印迹（Western blot）、质谱（MS）分析等方法检测和鉴定蛋白。

下面让我们详细看看研究的具体结果：

1. NTD-LhMaSp1-12Rep-CTD-citrine 的瞬时表达：研究人员优化了蛛丝蛋白核心区域 12 个重复多聚丙氨酸块、N 端和 C 端结构域的编码序列，构建了表达载体并转入小立碗藓原生质体。通过荧光显微镜观察发现，成功生产出了 NTD-LhMaSp1-12Rep-CTD-citrine 融合蛋白。不过，该蛋白出现了聚集现象，可能与蛛丝组装的胶束理论有关。同时，研究还发现该蛋白能进入分泌途径，但与内质网标记蛋白 mCerulean-KDEL 信号重叠较少，可能是因为蛋白体（PB）在不同位置形成。此外，小立碗藓具备对蛛丝蛋白进行翻译后修饰（PTMs）的能力，未来有望用于生产糖基化蛛丝蛋白。
2. 重组 NTD-LhMaSp1-8Rep-CTD-8Htag 的稳定生产：为实现蛛丝蛋白在小立碗藓中的稳定生产，研究人员优化了相关编码序列并构建表达载体，转化小立碗藓后获得了转基因植株。经筛选和 Western blot 分析，确认了目的蛋白的表达。进一步利用 His SpinTrap 柱对蛋白进行富集，发现两条高表达株系 L4 和 L33。通过质谱分析，证实了目标蛋白的成功生产，且 APsp 正确切割。对于高分子质量信号，研究推测可能是蛋白多聚体，而非 o - 糖基化导致。研究还发现，pH 变化对蛋白单体和多聚体的转化影响不大，且其他条件也未阻止高分子质量可溶性多聚体的形成。
3. 苔藓产生的 NTD-LhMaSp1-8Rep-CTD-8Htag 的纯化：研究人员利用 Ni-NTA 色谱法对重组蛋白进行纯化，发现目标蛋白在 140mM 咪唑时开始洗脱，500mM 咪唑时浓度较高。但纯化过程仍需优化，以消除非特异性条带，并建立可靠的 ELISA 定量检测方法。
4. 产生 NTD-LhMaSp1-8Rep-CTD-8Htag 的苔藓具有野生型表型和相似的生物量积累：研究人员对产生 NTD-LhMaSp1-8Rep-CTD-8Htag 的苔藓进行研究，发现其与野生型苔藓在表型和生物量积累上无显著差异，这表明 LhMaSp1 蛋白的生产不会影响苔藓的生长。

研究结论和讨论部分意义重大。研究成功建立了在小立碗藓中生产 NTD-LhMaSp1-8Rep-CTD-8Htag 的表达平台，实现了重组蛛丝蛋白在小立碗藓光生物反应器中的稳定生产。估计小立碗藓生产的 LhMaSp1 产量高于 0.82mg/g 鲜重，展示了该平台的可靠性和可扩展性。这一成果不仅为蛛丝蛋白的可持续生产提供了新途径，也为新型生物材料的开发奠定了基础，未来有望推动纺织、医疗等多个领域的创新发展。