哈佛大学的科学家发现了溴化锂等盐类如何分解角蛋白等坚韧蛋白质——其机制并非直接攻击蛋白质，而是通过改变周围的水结构。这一突破为以更清洁、更可持续的方式将羊毛、羽毛和毛发回收转化为高价值材料铺平了道路，有望替代塑料并推动新兴产业的发展。
- SEAS研究人员发现了某些盐化合物分解羊毛和羽毛等蛋白质废弃物的化学机制。
- 这一发现实现了一种更温和、更可持续的蛋白质回收工艺。
纺织和肉类加工行业每年产生数十亿吨的废弃物，主要以羽毛、羊毛和毛发的形式存在，这些废弃物富含角蛋白——一种存在于毛发、皮肤和指甲中的强韧纤维蛋白。
将所有这些动物废弃物转化为有用的产品——从伤口敷料到环保纺织品再到健康提取物——将造福环境并推动新兴的可持续产业发展。然而，蛋白质的升级回收充满挑战：将蛋白质分解（或变性）为其组分通常需要在大型且具有污染性的设施中使用腐蚀性化学品，这使得任何具有成本效益的方案都难以实现。
哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员揭示了角蛋白等蛋白质在某些盐化合物存在下如何发生变性的关键基础化学原理，这一发现有望将蛋白质回收提升至新高度。
由SEAS生物工程与应用物理学Tarr家族教授Kit Parker领导的团队结合实验和分子模拟，进一步阐明了盐导致蛋白质展开的化学机制。他们证实，已知能分解角蛋白的浓缩溴化锂溶液以一种完全意想不到的方式与蛋白质分子相互作用——并非如传统观点所认为的那样直接与蛋白质结合，而是通过改变周围水分子的结构，营造出一种更有利于蛋白质自发展开的环境。
这一发现使研究人员能够设计出一种更温和、更可持续的角蛋白提取工艺，无需使用刺激性化学品即可轻松将蛋白质从溶液中分离出来。该工艺还可以利用相同的盐混合物进行逆转，从而实现溴化锂变性剂的回收和再利用。
该研究发表在《自然通讯》杂志上，并在“论文背后”博客文章中进行了专题报道。
受角蛋白生物材料的启发
第一作者Yichong Wang是Parker小组的化学专业研究生，他表示，这项研究建立在实验室长期致力于开发用于生物医学应用的形状记忆角蛋白生物材料的兴趣之上。他们此前观察到，从溴化锂溶剂中提取的角蛋白可以形成厚实、可塑形的凝胶，这些凝胶很容易从周围溶液中分离出来，并且在重新放入水中时几乎会立即固化。虽然这一特性很有用，但他们觉得这种行为很奇怪，并希望更好地理解其原理。
Wang说：“我们认为目前对变性作用机制的理解与我们观察到的现象之间存在差距。这让我们对机制本身产生了浓厚兴趣，希望通过更好地解释这一现象来优化我们的提取流程。”
分子动力学揭示周围水分子的变化
为了深入探究，团队求助于化学与化学生物学系Eugene Shakhnovich教授的实验室，该实验室擅长蛋白质生物物理学。由共同作者Junlang Liu主导的分子动力学模拟让他们发现，溴化锂根本不是直接作用于蛋白质，而是作用于蛋白质周围的水。
研究表明，溴化锂离子导致水分子分化为两种不同的群体——正常水分子，以及被盐离子捕获的水分子。随着正常水分子体积的减少，由于环境的热力学转变，蛋白质开始展开，而不是像其他变性方法那样被直接撕裂。Wang表示：“让水变得不那么像水，能让蛋白质自行展开。”通过测试纤连蛋白等更简单的蛋白质，他们得到了类似的结果，这表明这是一种普遍存在的机制。
更好地理解和设计比传统方法能耗更低、污染更少的蛋白质提取方法，为蛋白质升级回收产业开辟了潜在途径。在Parker实验室，利用角蛋白作为组织工程的基质是一项主要的研究方向；拥有一种可靠、可持续的方法来提取和再利用此类产品将有力推动他们的研究工作。
此外，该工艺可能为全新的生物材料产业铺平道路，将毛发或鸡毛等海量废弃物转化为低成本的回收材料，例如作为传统塑料的替代品。
该研究获得了多项联邦资助，包括美国国立卫生研究院（R35GM139571和R01EY030444）以及美国国家科学基金会通过哈佛大学材料研究科学与工程中心提供的资助（DMR-2011764）。其他资助来自香港特别行政区政府创新科技署的Health@InnoHK计划，以及NTT Research, Inc.的医学与健康信息学实验室。