本文介绍了一项关于甘油（glycerin, Glyc）对家蚕丝素蛋白（Bombyx mori silk fibroin, SF）薄膜构象变化影响的研究。该研究由东京农工大学生物技术系的Tetsuo Asakura、Masanori Endo、Misaki Hirayama、Hiroki Arai、Akihiro Aoki和Yugo Tasei共同完成，并于2016年9月9日发表在《International Journal of Molecular Sciences》期刊上。

研究背景

家蚕丝素蛋白（SF）是一种广泛应用于纺织和生物材料领域的天然高分子材料，具有高强度、韧性和优异的生物相容性。然而，SF薄膜在干燥状态下容易变得僵硬和脆性，限制了其在生物材料中的应用。为了改善这一缺陷，甘油作为一种增塑剂被引入SF薄膜中。尽管已有研究表明甘油能够改善SF薄膜的机械性能，但关于甘油与SF混合薄膜的结构表征研究仍然有限。因此，本研究旨在通过核磁共振（NMR）技术，详细研究甘油对SF薄膜构象变化的影响。

研究方法

研究主要采用了两种固态核磁共振技术：13C交叉极化/魔角旋转核磁共振（13C CP/MAS NMR）和1H双量子魔角旋转核磁共振（1H DQMAS NMR）。通过这些技术，研究人员监测了不同甘油浓度下SF薄膜的构象变化。具体实验步骤如下：

1. 样品制备：将家蚕丝素蛋白溶解在9 M的LiBr水溶液中，通过透析和离心制备再生SF溶液。随后，将不同浓度的甘油与SF溶液混合，并在Teflon板上浇铸成薄膜。
2. 13C CP/MAS NMR分析：通过13C CP/MAS NMR技术，研究人员分析了不同甘油浓度下SF薄膜的构象变化。特别是通过Ala Cβ峰的化学位移变化，确定了不同构象（如随机卷曲、β-折叠和Silk I*）的比例。
3. 1H DQMAS NMR分析：1H DQMAS NMR技术用于确认甘油诱导的Silk I*构象的出现，并通过1H-1H距离约束信息，构建了甘油与SF复合物的结构模型。
4. 分子动力学模拟：基于1H DQMAS NMR获得的1H-1H距离信息，研究人员进行了分子动力学（MD）模拟，提出了甘油与SF复合物的结构模型。

研究结果

研究结果表明，甘油能够显著改变SF薄膜的构象。具体发现如下： 1. Silk I*构象的出现：当甘油浓度达到5 wt%时，SF薄膜中出现了Silk I*构象（一种重复的II型β-转角结构）。随着甘油浓度的增加，Silk I*的比例线性增加，直到甘油浓度达到9 wt%时趋于稳定（约30%）。这一比例与家蚕成熟丝腺中SF的Ala残基比例一致。 2. 1H DQMAS NMR验证：1H DQMAS NMR光谱进一步证实了Silk I*构象的存在，并通过1H-1H距离约束信息，构建了甘油与SF复合物的结构模型。 3. 分子动力学模拟：通过MD模拟，研究人员提出了甘油与SF复合物的结构模型，并验证了Silk I*构象的稳定性。

研究意义

本研究通过NMR技术详细揭示了甘油对SF薄膜构象变化的影响，特别是Silk I*构象的出现及其与甘油浓度的关系。这一发现不仅为SF薄膜的改性提供了新的思路，还为SF在生物材料中的应用提供了理论支持。此外，研究中所采用的NMR技术和分子动力学模拟方法也为其他高分子材料的结构表征提供了参考。

研究亮点

1. Silk I*构象的发现：首次通过NMR技术详细研究了甘油诱导的Silk I*构象，并揭示了其与甘油浓度的关系。
2. NMR技术的创新应用：结合13C CP/MAS NMR和1H DQMAS NMR技术，研究人员成功解析了SF薄膜的构象变化，并通过1H-1H距离约束信息构建了结构模型。
3. 分子动力学模拟的应用：通过MD模拟，研究人员提出了甘油与SF复合物的结构模型，进一步验证了实验结果的可靠性。

结论

本研究通过NMR技术和分子动力学模拟，详细研究了甘油对SF薄膜构象变化的影响，揭示了Silk I*构象的出现及其与甘油浓度的关系。这一发现为SF薄膜的改性和应用提供了新的思路，具有重要的科学和应用价值。