作为生命之役马，蛋白质因其可遗传编码的序列、精确可控的折叠结构与丰富的生物功能，被视为构建下一代功能材料的理想模块。然而，在全蛋白质体系中同时实现高机械强度、动态响应性与生物活性仍具挑战。传统蛋白质水凝胶主要依赖化学交联（稳固但不可逆）或物理交联（动态但力学较弱），难以兼顾稳定性与可调性。近年来，合成高分子材料中的拓扑工程策略（如缠结、滑环）为增强蛋白质材料提供了新思路，但如何在保持生物功能的前提下实现有效的力学增强，仍需深入探索。

图1. 伪[2]索烃分子和编织网络的设计思路

北京大学化学与分子工程学院张文彬课题组在Angew. Chem. Int. Ed.期刊发表了题为“A High Modulus, Multi-Stimuli Responsive, Interwoven Protein Network with Topologically Confined Micro-Association”的封面论文（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202522633），报道了一种基于伪[2]轮烷构建单元BXA′的全蛋白质编织网络（图1）。该单元由三部分组成：p53dim结构域用于拓扑缠结，SpyTag(DA)-SpyCatcher提供动态相互作用，CaM-M13模块用于外部调控。在浓度提升、钙调蛋白结合或紫外光照（光敏型CaM(hv)）条件下，BXA′可由闭合态转变为星形开放态，进而聚合成物理交联的编织网络。

在CaM触发条件下，BXA′网络的储能模量G'随浓度上升，30% w/v样品的储能模量超过60 kPa；进一步通过热处理（≈70 °C）或近红外光热激活诱导“拓扑限域微相分离”，G'可进一步提升至~100 kPa，AFM纳米压痕测得的杨氏模量接近1 MPa，处于全蛋白质物理水凝胶的领先水平。该材料同时具备自愈合性与多重刺激响应能力，实现了高强度与动态功能的统一。

图2. 初始BXA'网络和CaM触发网络的机械性能

机理研究表明（图3），编织网络的拓扑约束有效限制了SpyTag(DA)-SpyCatcher复合体在高温下的展开与聚集尺度，防止宏观相分离，从而在增强模量的同时保持材料完整性。相较于未缠结或全共价交联的对照体系，该策略在力学性能、抗溶蚀性和热稳定性方面均表现出显著优势。

图3. 拓扑限制网络的机械性能

此外，研究团队将该增强网络用于热稳定内切甘露聚糖酶 TpMan 的负载与可控释放（图4）。通过调控酶与网络的共价或非共价结合模式，实现了不同的释放动力学与瓜尔胶降解行为，展示了其在需时序控制释放的工业流程（如油气开采中的延迟破胶）中的潜力。

图4. 热增强BXA'网络固定的甘露聚糖酶用于瓜尔胶的可控破胶

总之，该研究突破传统材料设计的瓶颈，开发了一种将许多理想特征整合到全蛋白质基水凝胶中的策略，包括独特的网络拓扑结构、优异的机械性能、刺激响应性和功能多样性，并深入揭示其构效关系。这种将拓扑学理念融入蛋白质工程的研究策略，不仅是一种稳健且适应性广的技术路径，更是一种环境友好的可持续发展方案。它有望在生物医疗、工业催化等领域引发革新，并对整个材料科学领域理解“结构如何决定性能”这一核心问题提供更多见解。
    本文通讯作者为北京大学张文彬教授、吴文豪博士和刘雅杰博士，第一作者为北京大学博士生许庭街。北京大学孙轶斌博士、许连杰博士，博士生王宇翔、蒋冯逸、侯博，科研助理孟子逸共同协助了本研究。研究获得国家重点研发计划、深圳市医学研究专项资金、国家自然科学基金委员会、北京分子科学国家研究中心以及北京大学博雅博士后项目的大力支持。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202516010