南京大学曹毅等·ACS AMI· 水凝胶·光响应·可编程力学·机械转导·频率效应
为解决细胞外基质刚度在时空尺度上可编程调制与细胞力学生物学响应之间缺乏定量桥接的问题，南京大学等单位团队基于光致构象可逆的Photoactive Yellow Protein（PYP）构建光响应蛋白水凝胶，提出“单分子力学—网络有效链长—体相模量”的定量关联框架。团队通过工程化两种力学各向异性链接几何（PYP 48/85与PYP 36/128），结合单分子AFM拉伸、溶胀平衡与Worm‑Like Chain（WLC）模型，并以Dudko–Szabo–Hummer动力学提取零力学参数，引入在网络张力下的‘解折叠概率’以计算有效链长Le，从而解释并预测两类水凝胶在明/暗循环下模量变化幅度（ΔE）的显著差异。在材料—生物一体化平台上，作者以NIH/3T3成纤维细胞为模型，系统解耦“频率”与“幅值”对肌成纤维化转分化的协同调控：1 min周期（50% 占空比）引发最显著的 α‑SMA、Postn转录及蛋白学应答，并伴随YAP核转位、pFAK/TGF‑β/Collagen I信号累积，而30 min周期则趋近静态对照，证明频率是独立且关键的机械调控参量，幅值决定响应增益。该研究既给出可编程蛋白水凝胶的可预测设计原则，也揭示频率特异的机械线索如何塑造细胞命运。相关论文以“Light-Responsive Protein Hydrogels Bridge Molecular Mechanics and Frequency-Dependent Mechanotransduction”为题，发表在ACS AMI上。技术路线图（部分）如下：研究动机：组织微环境的刚度并非常量，发育、损伤修复及纤维化过程中存在快速、可逆的力学波动。细胞如何解码‘频率×幅值’的动力学刚度线索，尚缺少可独立、可定量调控两者的材料学平台与自恰理论。前人瓶颈：既有光响应水凝胶或仅不可逆软化，或模量变化幅度较小、响应慢，且缺乏从单分子到体相的可预测模型，难以解释不同链接几何导致的 ΔE 差异，也无法严谨解耦频率效应。本工作方案：构建以PYP为交联节点、8臂PEG‑Maleimide为多功能节点的蛋白水凝胶；通过48/85与36/128两种拉伸几何测得在光/暗条件下的解折叠力与等效增量长度，结合WLC与Dudko–Szabo–Hummer动力学，建立包含‘解折叠概率’的有效链长Le→模量E标定模型，并在统一占空比下系统扫描1–30 min周期频率以解析细胞分化响应。引出关键问题：在给定网络张力下，光致稳定性改变如何放大为Le与E的差异？频率与幅值如何在分子—网络—细胞通路中协同决定肌成纤维化转分化强度？图1 中文图注：（A）PYP 48/85 与 PYP 36/128 变体的结构示意（PDB: 2PHY, 2KX6）。（B, C）在 800 nm/s 拉伸速率下的代表性单分子 AFM 力-延曲线；红色实线为 WLC 拟合，红色虚线标示等效轮廓长度增量。（D, E）在暗与蓝光条件下，两种变体的解折叠长度分布。（F, G）在暗与蓝光条件下，两种变体的解折叠力分布。图2 中文图注：（A）PYP 蛋白水凝胶的网络结构示意：8 臂 PEG 作为多功能交联节点，弹性链由两条 PEG 臂与单个 PYP 分子连接组成。（B, C）在暗与蓝光条件下，PYP 48/85 与 PYP 36/128 水凝胶杨氏模量的统计分布。（D, E）在 10 min 间隔循环照明下的归一化杨氏模量，显示暗态变硬与蓝光变软的可逆与稳定。（F）两种连接几何在光照下的 PYP 伸展与解折叠长度变化示意（示意图，不按比例）。图3 中文图注：（A, B）PYP 变体在暗与蓝光条件下的受力依赖解折叠动力学；不同拉伸速率的寿命-力数据以 Dudko–Szabo–Hummer 模型拟合（实线）。（C）有效链长 lnLe 与实测杨氏模量 lnE 的线性相关（对数坐标），拟合指数 γ = 2.24。（D）盐酸胍完全变性前后两类水凝胶的外观对比：变性后失去黄色荧光并显著溶胀，36/128 的体积膨胀更明显。（E）模型验证：与完全变性后的实测杨氏模量比较，预测值一致。图4 中文图注：（A）机械刺激方案示意：Rigid（100% 占空比）、Soft（0%）、以及 30/5/1 min 周期循环（均为 50% 占空比）。（B, C）在两类水凝胶上，α-SMA 与 Postn 的萤光素酶报告相对活性：1 min 周期显著增强转分化；数据为 mean ± s.d.。（D）基于免疫荧光的 α-SMA 相对荧光强度定量；数据为 mean ± s.d.。（E）代表性免疫荧光图像；统计学标注：*** = p < 0.01，n.s. = p 0.1；比例尺 50 μm。图5 中文图注：（A）YAP 免疫荧光图像：静态、1 min 周期与 30 min 周期条件下，在 PYP 48/85 与 PYP 36/128 水凝胶上的对比。（B）YAP 核/胞荧光强度比定量。（C, D）pFAK 的代表性图像与定量结果（平均荧光强度）。（E, F）TGF-β 的代表性图像与定量结果。（G, H）Collagen I（Col I）的代表性图像与定量结果。所有图的统计学标注：*** = p < 0.01，n.s. = p 0.1；比例尺 50 μm。（1）提出“解折叠概率—有效链长—体相模量”的定量桥接模型，给出lnE–lnLe线性关系并得到指数 γ≈2.24，用以解释并预测光致刚度调制幅值。（2）材料设计上利用 PYP 48/85 与 36/128 两种几何的各向异性力学稳定性：尽管36/128的单位解折叠长度更长，但48/85具有更大的过渡距离与更敏感的力致动力学，导致更高软/硬切换幅值。（3）生物学上实现“频率—幅值”的正交控制：在相同占空比下证明1 min周期显著促进成纤维细胞向肌成纤维细胞转分化，且幅值越大（48/85），生物学响应越强。（4）机制层面阐明YAP核定位与pFAK/TGF‑β/Collagen I的频率依赖积累，为频率特异的力学生物学提供实验依据。材料原料：PYP 48/85与PYP 36/128蛋白变体、8臂PEG‑Maleimide（20 kDa）、PBS、405 nm光源等。合成策略：在PBS中以马来酰亚胺‑巯基加成将PYP与8臂PEG多点共价交联形成蛋白‑聚合物杂化网络；凝胶成形后在暗/蓝光条件下进行模量与循环测试。合成机理关键词：光致构象变化（pG↔pB）、力致解折叠、WLC链统计、网络膨胀平衡张力、Dudko–Szabo–Hummer动力学、有效链长Le。材料性能优势：在37°C、AFM纳米压痕下，PYP 48/85凝胶从约2.15 kPa（暗）可逆降至约1.26 kPa（蓝光）；PYP 36/128由约2.19 kPa降至约1.62 kPa；10 min级循环稳定复现，幅值分别约71% 与35%。应用领域简写：机制生物学（Mechanobiology）、组织工程（TE）、再生医学（RM）。主要性能表现：光致刚度快速、可逆、可循环调制；48/85体系 ΔE明显大于36/128；在12 h高频（1 min周期）循环中保持稳定切换且细胞活力>95%。性能支撑机制：网络膨胀产生约十皮牛量级张力，光照降低折叠态寿命并提升解折叠概率P(F)；有效链长Le=(1−P)Lf+PLu随之增加，E∝Le^−γ 导致软化；48/85因过渡距离更大，对微小力变化更敏感，P的提升更显著，ΔE更大。结构/原料设计赋能：利用8臂PEG节点与单PYP蛋白构成的弹性链，拉伸几何（48/85 vs 36/128）改变力学稳定性与等效长度释放，放大至体相模量差异。次要性能表现：多周期耐久性良好；完全变性（盐酸胍）验证模型极限预测并呈现更强体积溶胀（36/128>48/85）。机理支撑：lnE–lnLe线性标定（γ≈2.24）反映非仿射变形与PEG柔性贡献；Dudko–Szabo–Hummer拟合多速率AFM数据确保低力区外推有效。结构/原料归因：PYP光化学循环（pG→pB→pG）与位点特异的拉伸各向异性共同决定单位链长变化与动力学敏感性，从而决定 ΔE。材料综合特性汇总：快速可逆的光控刚度、幅值可设计、频率响应可编程，支撑对细胞机械转导过程的参数化研究。典型应用方向：成/肌成纤维细胞命运调控与纤维化模型；频率依赖的YAP‑FAK‑TGF‑β‑ECM级联通路研究；可编程力学微环境构建。具体表现指标：在50% 占空比下，1 min循环显著提升 α‑SMA/Periostin转录与蛋白表达；30 min循环效应接近静态；48/85平台上响应幅值更高；非光敏PA凝胶对照无显著差异，排除蓝光直接效应。研究成果的核心贡献：建立从单分子解折叠动力学到体相模量调制的可预测模型，并以此实现频率与幅值的正交调控平台，用于解析频率特异的力学生物学。科学或工程意义：为蛋白基动态水凝胶的“可设计—可验证—可预测”提供理论与范式，推动从材料到细胞的多尺度耦合研究与定量化实验设计。潜在拓展应用领域：干细胞分化与再生医学、免疫细胞活化、肿瘤力学生态位点分析，以及具备力学驱动功能的组织工程支架。1）凝胶种类：蛋白水凝胶·光响应水凝胶·可切换水凝胶2）机理：光致构象变化·力致解折叠·WLC链统计·网络膨胀平衡·Dudko–Szabo–Hummer动力学·有效链长标定3）性能：快速可逆刚度调制·大幅度ΔE·频率依赖应答·循环稳定性通讯作者：Jiapeng Yang；Liang Dong；Chunping Jiang；Yi Cao研究单位（中文）：南京大学（固体微结构国家实验室/物理系/化学系/化学生命医学创新中心/教育部高性能高分子材料与技术重点实验室）；济南微生态生物医学山东省实验室；南京鼓楼医院（南京大学医学院附属鼓楼医院）；福建医科大学第二附属医院；仁怀市人民医院DOI: 10.1021/acsami.5c23033本公众号发布的内容（包括但不限于文字、图片、视频、音频及设计素材等），如有侵权，请联系删除。我们始终尊重知识产权，严格遵守《中华人民共和国著作权法》等相关法律法规，致力于维护健康的内容创作环境。欢迎大家投稿，联系邮箱：Gel_hub@163.com
