当前正在用微生物组装塑料生产流水线以造出兼有自然界和合成领域最佳性能的新材料

一旦有重大变革的新聚合物问世时，将不再有排出烟雾和有毒废弃物的工厂了。材料制造业最近的发展，归功于大量用基因方法巧妙地设计出的细菌。过去几年来，化学工作者已学会用特意改编好用来制造与体温大抵相同蛋白质的基因来装备这种微生物。这一类材料潜在应用范围甚广。化学工作者已生产出可用来作活组织粘结剂的聚合物，制成丁能响应环境变化的“智能”塑料。将来甚至可吃上不粘锅的荷包蛋。

这种新建工业的关键，在于细菌具有能绝对精确地制造出复杂蛋白质的能力。蛋白质是由氨基酸以肽键相到连接而成的长链分子，有些天然蛋白，其性能足以跟任何合成聚合物相匹敌。例如蜘蛛丝是一种蛋白质，由它组成的纤维，其强度比高技术材料聚对苯甲酰胺组成的纤维还高。动物的头发、皮肤及爪等的主要纤维性组成角质，也是蛋白质。同样，韧带、动脉和肺脏的有弹性的坚韧组分，弹性硬蛋白也是蛋白质。这些结构蛋白质的分子由非常短的氨基酸序列沿着聚合物链不断重复组成。这些重复序列——涉及20种不同的氨基酸单元——决定着链折叠的方式，从而决定着物质的整体性质，例如，角质强度之所以如此大，是由于它含有逐级相互盘绕的螺旋蛋白质链：由链绞合成特大的链，特大的链再绞合成束和札，形成强度异常高的绳索状纤维。

天然蛋白质中的氨基酸单元序列，由产生它的细胞中的DNA分子所决定，特别是由沿DNA链排列的、称作核苷酸的化学基因的序列所决定。实际上，DNA同时提供了在其上组装蛋白质的氨基酸模版。现今，科学工作者有办法，借剪开DNA分子的双螺旋链，以另一种核苷酸编码单元代替原来的编码单元，或拼接由化学法从头装配好的片段成为链，从而模拟及改变这种模版。他们也通晓如何增殖这种遗传控制产物，从而得到大量不同尺度的DMA片断。

研究工作者一直致力于探索各种方法，把人工结构蛋白的样板引入细菌的DNA中。无论蛋白质DNA密码中的人工基因与细菌无然产生的相象也好，完全不同也好，并无多大关系：只要存是在染色体中，细菌就能把它制造出来。80年代末，加利福尼亚圣地亚哥蛋白质聚合物工艺研究所（PPTI）的J · 卡佩洛及其同事们首创了现在普遍用于制造人工蛋白的工艺技术。第一步是制备出蛋白质聚合物复制单元编码的人工DNA片段。这种合成的DNA片段通常是核苷酸一个一个连接起来，以形成粘在固态载体上的链。一旦合成出这种DNA片段，就可用聚合酶链反应（PCR）加以大量复制。然后把它们头尾相连，以产生能把该聚合物编码的合成“基因”。若有自然界中专做连接工作的连接酶在一起，则能促进这一连接过程的进行。

第二步是把人工基因插入细菌的DNA中。多细胞生物的DNA组装成染色体，位于细胞核内，而细菌的DNA却呈在细胞中能自由浮动的若干双链盘绕的环形式。除了主要的环以外，细菌还具有称作质粒的DNA小环。它们是用作人工基因运载工具的DNA。利用酶就能剪开质粒，并缝合进入工基因。当把该质粒放回细菌中时，细胞分子器件就把嵌在质粒中的DNA样板转入各个蛋白质分子中——此时样板才具有由更换过的DNA决定的、拟设计的蛋白质样式。这是一种难以想象的绿色的洁净的制造材料的方法。细菌在与体温大抵相同条件下在水中培养，并以氨基酸为培养基。就该过程的本质而言，用不着有潜在毒性的有机溶剂，所要求的只是在发酵器具中维持生命的那些条件。

粘合的目标

把人体细胞粘到人工培育组织细胞上去的现有方法，是应用由血液或动物中提取的天然细胞粘着蛋白质，或是含有某种关键氨基酸序列的纯粹合成的肽。但这些方法均存在一些缺陷：天然产物的粘性虽然比人工制品要强得多，但其稳定性却比后者差得多。PPTI研究组希望制造一种兼有人工制品稳定性和天然产物粘结性的蛋白质。为此，他们设计了一种人工蛋白质，其中6个氨基酸的丝状结构单元沿着链反复出现，每9个单元隔1个由16个氨基酸纤维结合素一样的单元。这一整个序列本身重复13次，形成含有900个以上氨基酸单元的完整的蛋白质分子。对于聚合物化学工作者来说，这自然是一个巨大而复杂的结构，用一般的化学合成方法是极难准确地进行复制的。但与细菌惯常制造的复杂的蛋白质相比，这种结构却相当的简单。

也许是太简单了。出于某些未知原因，细胞染色体组天生没有形成重复的DNA序列倾向。细胞分子器件往往借切断或粘贴该DNA重排这种序列，从而把重复结构打乱。因此，卡佩洛研究组利用了遗传密码具有冗余度的实际情况 :尽管在天然蛋白质中只有20种氨基酸，但把它们编码的4种核苷酸有64种可能的3-核苷酸组合，每一种氨基酸可以用不止一个的3-核苷酸组来代表。所以借改变代表给定氨基酸的3-核苷酸组合，就有可能由本身不大会重复的DNA序列产生出重复的氨基酸序列。

达到目的

掌握了这种诀窍以后，只要有携带各种“起动基因”分子（它能提高DNA转化为蛋白质的效率）的细菌，卡佩洛及其同事们已能获得纯度为85%的人工蛋白质干粉。PPTI的研究人员发现，他们合成的蛋白质薄膜的确能使细胞变得对各种粘合对象具有粘着性，有时效果比纤维结合素还要好。同时，该结构单元还能确保该蛋白质的稳定性，在天然蛋白质照理要丧失活性的温度下依然保持稳定。现在，PPTI已供应称作F代结合素（Pronectin F）的粘结剂以用来把哺乳动物细胞连接到培养出来的组织上。

后来，其他一些研究组用这种方法制得了各种与天然纤维状蛋白质结构相类似的合成蛋白质。去年，在马萨诸塞州的美国陆军内蒂克研究、发展及技术中心的D · 康普伦使用细菌，以圆形织网蛛用来制取蜘蛛丝的基因为基础来表达人造基因。由于不是从蜘蛛本身获取，而是在发酵槽中培育，就有可能制取大量的丝状材料。蜘蛛丝强度极大，具有丝状性质的人造材料可用于飞机制造乃至增强防弹衣中。

同时，亚拉巴马大学的D · 厄里用细菌法制造了类似于弹性硬蛋白的合成蛋白质。天然的弹性硬蛋白分子具有螺线形结构，像弹簧一样，使材料具有弹性。但这种结构能随温度而变 :蛋白质受热时，链周围的水分被除去，即崩塌成粘稠块状物。厄里制造了由缬氨酸-脯氨酸-甘氨酸-缬氨酸-甘氨酸的五单元氨基酸序列——弹性硬蛋白所特有的型式——所组成的人工多肽。他发现，像弹性硬蛋白一样，这种人工肽的结构能在一定的温度下发生变化。当加热时，松散的螺线型链会转变为更有序、更紧密的螺线形状态，链周围有更多的水被挤出，这就引起材料的收缩。当肽链卷起来时，产生相当大的力——厄里制得的一些蛋白质，当其收缩时能举起超过其干重1000倍的重量。链形态发生转变的温度取决于精确的氨基酸组成，因此，厄里借拼凑制造蛋白质的基因，即可改变合成聚合物的性质。他确信，可以证明，他合成的类弹性硬蛋白聚合物对修复创伤有用。还有可能生产一种具有超吸水能力的材料，可用作一次性尿布。

细菌法的一个明显局限是，它限于自然界仅有的20种氨基酸结构单元。果真如此吗？阿默斯特马萨诸塞大学的D · 蒂雷尔对用人工氟化氨基酸形成多肽链感兴趣，这种多肽链可能具有类似于没有粘性的覆盖特氟隆的主要成分——聚四氟乙烯（PTFE）的性质。含氟的化学基团通常极端避水。因此蒂雷尔推论，如果多肽由水溶性单元的骨架缀以氟化氨基酸构成，则可能会折叠成氟化基团位于外侧的形式，产生一类不粘的蛋白质。

但因为大多数细菌不理会含氟化合物，要实现这一设想，涉及到细菌培养及基因工程。蒂雷尔的解决办法是 :培养一种新的菌株，它能利用氟化氨基酸来合成蛋白质，而不是合成其本身未氟化的氨基酸。研究工作者选用的氟原子其载体是苯基丙氨酸，后者有一个苯环侧基，可供氟原子连接上去。他们使细菌培养基极度缺乏苯基丙氨酸，而供以氟化的苯基丙氨酸。果然，所得聚合物不溶于水，可认为氟化基团的确已转移到折叠的聚合物表面上了。

蒂雷尔正在估量这种物质可能的用途时， 一天在他的办公桌上看到出自其研究生的一个淘气设想，笔记本上画着正在制作油煎早点的图：在不粘锅中油煎着的蛋。旁边是未来的早点图——由于蛋本身已是没有粘性的，所以是在旧式铁制煎锅中制备的。因为这种蛋白质成分白朊——大部分蛋白由其组成——已氟化过。

虽然蒂雷尔并不希望在短期内能制得不粘的油煎蛋，但他看出，新发现的改变细菌合成蛋白质能力的技能提供了极大方便。他设想，在细菌的质粒中，紧挨着天然蛋白质的序列嵌入人造多肽的DNA序列，从而以合成多肽连接天然蛋白质。例如，可赋予蛋白质以能折叠成晶态薄膜的人工侧链（蒂雷尔小组已制得具有此种性能的蛋白质）。这种杂化的蛋白质会自发地在底物上形成薄膜，从而可固定蛋白质，以用于生物反应器和生物传感器等装置中。或者可用适当变更了的人造氨基酸组成的，光敏、电敏的替代物来装备蛋白质，这样就可能用光或电来控制蛋白质的功能。

蒂雷尔的研究人员已制得含有以3-硫茂基丙氨酸替代天然氨基酸丙氨酸的人造蛋白质。之所以采用含硫的硫茂基团，乃因为它是导电聚合物聚硫杂茂的结构单元。蒂雷尔的目的在于连上硫茂基团，使其凸出在这种合成蛋白质的薄膜上，从而制得用于生物医学器件的、生物相容的导电材料。归根结蒂，研究工作者期望，如果人造材料和天然材料领域能融合起来，那么就可找到从中挑造出最佳性能材料的方法。

[New Scientist，1996年2月3日]