摘要 生物分子自組裝對生物體有重要意義, 利用生物分子構(gòu)筑具有功能性的有序組裝體一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn). 肽分子是一類重要的組裝基元, 肽的超分子自組裝可形成多種納米或微米尺度的結(jié)構(gòu), 并可應(yīng)用于能源、醫(yī)藥等領(lǐng)域. 如何實(shí)現(xiàn)肽自組裝結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控以及精準(zhǔn)調(diào)控肽自組裝實(shí)現(xiàn)功能化, 是目前該領(lǐng)域面臨的新挑戰(zhàn). 肽的自組裝是基于非共價鍵力的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)的, 通過各種因素調(diào)節(jié)這些非共價鍵力的作用, 是實(shí)現(xiàn)自組裝結(jié)構(gòu)調(diào)控和功能化的關(guān)鍵. 雖然自組裝結(jié)構(gòu)調(diào)控可以通過改變外部環(huán)境調(diào)控, 但是通過精確分子設(shè)計、組裝基元分子間的相互作用調(diào)控可以更好地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控; 并有利于進(jìn)一步通過引入功能性分子作為組裝基元, 實(shí)現(xiàn)自組裝體的功能化. 本文將針對肽自組裝體的結(jié)構(gòu)調(diào)控以及功能化兩個方面對相關(guān)研究進(jìn)行綜述.
生物分子自組裝是生命的基礎(chǔ), 它在生物體中普遍存在, 從簡單的脂質(zhì)分子組裝形成磷脂雙分子層、肽鏈折疊形成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)以及 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu), 到更為復(fù)雜的細(xì)胞器、細(xì)胞、組織器官等, 都是由生物分子在不同尺度上分級自組裝構(gòu)建而成的, 這些高度協(xié)調(diào)自組裝體系為生命體實(shí)現(xiàn)其功能性和活性提供了有利的保障. 生物分子自組裝過程是在動力學(xué)與熱力學(xué)控制下自發(fā)形成有序聚集體的過程. 該過程中, 各種非共價鍵力包括氫鍵力、靜電力、疏水作用、π-π作用以及范德華力間的協(xié)同作用是決定自組裝體形貌和功能的關(guān)鍵[1]. 受生物體系啟發(fā), 利用生物分子作為組裝基元構(gòu)筑各種尺度以及形貌的納米結(jié)構(gòu), 一直受到人們廣泛關(guān)注和研究[2]. 肽分子是一種較為常用的組裝基元, 它由幾個或多個氨基酸序列構(gòu)成, 并具有很多優(yōu)勢比如生物兼容性、生物降解性、結(jié)構(gòu)易編輯性、低免疫原性等[3～5]. 肽分子可自組裝形成多種納米或微米尺度的結(jié)構(gòu), 并可應(yīng)用于生物醫(yī)藥、納米科技、能源等多個領(lǐng)域[6～9].
隨著科技的發(fā)展, 使得肽分子自組裝的研究也面臨新的挑戰(zhàn): 不僅只局限于組裝體納米結(jié)構(gòu)(以下簡稱為“組裝結(jié)構(gòu)”)的單一調(diào)控, 更要將相關(guān)研究拓展為利用肽分子分級自組裝構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能體系[10,11], 即實(shí)現(xiàn)肽自組體納米結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控(以下簡稱為“結(jié)構(gòu)調(diào)控”)以及精準(zhǔn)調(diào)控肽自組裝實(shí)現(xiàn)功能化. 因此, 本文將從這兩個方面對相關(guān)研究進(jìn)行綜述.
2 肽分子自組裝的結(jié)構(gòu)調(diào)控
各種非共價鍵力, 包括氫鍵、疏水作用、靜電作用、π-π堆積以及范德華力的協(xié)同作用是決定肽分子自組裝結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)鍵[1,12]. 通過調(diào)控組裝基元的分子結(jié)構(gòu)以及組裝環(huán)境因素(包括 pH、溫度、濃度、外場等)可以調(diào)控這些非共價鍵力的相互作用, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對自組裝過程的熱力學(xué)和動力學(xué)控制[12]. 氫鍵作用具有高度選擇性和方向性, 是誘導(dǎo)生物分子長程有序結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵性因素. 肽分子含有許多氫鍵形成位點(diǎn), 包括肽鏈骨架上的酰胺基團(tuán)以及側(cè)鏈上的氨基和羧基, 因此氫鍵在形成和穩(wěn)定肽鏈的二級結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)的折疊構(gòu)象中起到重要作用. 疏水作用是兩親性生物分子自組裝的主要驅(qū)動力, 疏水作用不具有方向性, 在生物體中, 由于水分子的存在, 疏水作用往往伴隨著氫鍵作用協(xié)同影響肽分子的自組裝. 靜電作用和π-π堆積作用分別對荷電性的和具有芳香環(huán)類的肽分子有明顯影響. 但是與苯環(huán)的疏水作用不同的是, π-π作用中的苯環(huán)可以形成有序的堆積結(jié)構(gòu). 范德華力是一種重要且普遍存在的非共價鍵力, 但它往往需要與其他非共價鍵力協(xié)同影響自組裝過程.
肽超分子自組裝的結(jié)構(gòu)化以及功能化都是基于這些非共價鍵力的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)的; 反之, 如何通過各種因素調(diào)節(jié)這些非共價鍵力的作用, 成為人們實(shí)現(xiàn)組裝結(jié)構(gòu)有效調(diào)控的關(guān)鍵. 目前, 自組裝體結(jié)構(gòu)調(diào)控的方式主要有兩種: (1)通過改變外部環(huán)境調(diào)控; (2)通過組裝基元分子間的相互作用調(diào)控.
肽分子的自組裝是在熱力學(xué)和動力學(xué)協(xié)同控制下的過程: 熱力學(xué)上, 肽分子與溶劑間的非共價鍵相互作用決定了組裝體的熱力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu), 但是由于非共價鍵間弱的相互作用, 在不同的溶劑環(huán)境中, 即在不同 pH、溫度、對離子等動力學(xué)因素影響下, 肽分子可以通過不同的二級結(jié)構(gòu)(比如 β-折疊和 α 螺旋)構(gòu)筑不同尺度的結(jié)構(gòu), 包括納米管[13]、納米纖維[14,15]、微球[16]以及微米級的纖維束結(jié)構(gòu)等. 各種動力學(xué)因素可以有效地改變肽分子與溶劑分子的作用, 從而影響肽自組裝體的形貌, 對組裝動力學(xué)過程亦有重要調(diào)控作用[17,18].
例如, Kim 等[19]報道了二肽二苯丙胺酸(FF)在不同水環(huán)境中形貌與 FF-水分子間相互作用的關(guān)系: XRD 結(jié)果表明納米管與納米線的晶體結(jié)構(gòu)是一致的, 而引起FF 形貌不一致的原因在于所形成晶體中 FF 與水分子相互作用的區(qū)別. 這說明 FF 與水分子作用程度不同, 會直接影響自組裝體的形貌. 因此, 增加溶液離子強(qiáng)度, 離子的水合效應(yīng)會與 FF 的水合作用相競爭, 最終導(dǎo)致FF 水合程度的改變, 從而可以有效地調(diào)控 FF 形貌的轉(zhuǎn)變 . 另外 , 通過增大環(huán)境濕度或增加體系中水含 量[20～23], 亦可誘導(dǎo)肽納米管生長為多級結(jié)構(gòu). 通過調(diào)節(jié)水溶液 pH[24]和溫度[25], 可以獲得不同形貌的自組裝體. Xu 等[26]引入乙腈增加水溶液的疏水性, 可以有效影響兩親性寡肽分子與水分子間的氫鍵作用, 從而改變所形成纖維的形貌.
簡而言之, 作為一種較為廣泛和常用的調(diào)控手段, 該方法主要通過改變?nèi)軇┉h(huán)境包括 pH、離子強(qiáng)度、濃度、溫度等外部因素來改變組裝分子與溶劑間的非共價鍵相互作用, 通過自組裝過程的熱力學(xué)和動力學(xué)控制實(shí)現(xiàn)肽分子組裝結(jié)構(gòu)的改變和調(diào)控[12].
雖然僅通過改變基元分子的外部環(huán)境來改變自組裝結(jié)構(gòu)的方法較為普適和簡單, 但該方法同時也存在較大的局限性, 即無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控. 而通過特定的分子設(shè)計[27～32], 亦或控制兩種或兩種以上的組裝基元間的相互作用, 可以更有效地實(shí)現(xiàn)對組裝體結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào) 控[33～35].
Yan 等[40]通過向二氯甲烷中引入微量溶劑(乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮、水)的方法, 研究了氫鍵作用對二肽(FF)自組裝的調(diào)控能力. 由于引入的微量溶劑含量較低, 可以將微量溶劑分子當(dāng)作溶質(zhì)分子, 這些微量溶質(zhì)分子與 FF 分子發(fā)生共組裝, 從而作為主導(dǎo)因素來調(diào)控二肽的自組裝行為. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)氫鍵作用力在 FF 纖維化過程中是關(guān)鍵的誘導(dǎo)因素, 添加的具有成氫鍵能力的微量溶劑可以有效地影響 FF 分子中 C＝O 和 N—H的氫鍵作用; 氫鍵的方向性可以誘導(dǎo) FF 分子在長程方向上的有序排列, 最終導(dǎo)致納米纖維以及納米帶結(jié)構(gòu)的形成.
Xu 等[41]利用不同的核苷對多肽進(jìn)行了分子設(shè)計和改性, 之后將得到的核苷-肽分子兩兩混合, 可以得到同纖維結(jié)構(gòu)的凝膠, 該凝膠具有很好的生物兼容性且對蛋白酶 K表現(xiàn)出很好的抗水解性, 在所形成的纖維結(jié)構(gòu)中, 不同結(jié)構(gòu)的核苷-肽分子間的氫鍵和疏水協(xié)同作用是使體系穩(wěn)定的關(guān)鍵因素.
通過改變二肽的性質(zhì)可以有效調(diào)控自組裝結(jié)構(gòu), 用L-Lys-L-Lys (KK)代替 FF 與卟啉共組裝后, KK-卟啉分子間的靜電作用和氫鍵作用、以及卟啉-卟啉分子間的π-π作用協(xié)同誘導(dǎo)卟啉分子形成具有 J 聚集結(jié)構(gòu)的 KK-卟啉納米棒. 在短程的范德華力作用下, 納米棒聚集成多級的長程纖維束結(jié)構(gòu), 納米棒的進(jìn)一步聚集可用Onsager 理論中的平動熵和轉(zhuǎn)動熵變來解釋(圖3a 和3c). 最終形成的纖維束結(jié)構(gòu)具有很好的光催化活性和光穩(wěn)定性, 可用于催化還原生成Pt納米球或Pt納米線[45]. 結(jié)合全原子分子動力學(xué)模擬(MD)以及耗散粒子動力學(xué)模擬(DPD), 細(xì)化研究了卟啉與兩種不同的二肽形成不同納米結(jié)構(gòu)的原因: 雖然 FF 與 KK 都會誘導(dǎo)卟啉形成 J聚集的納米棒結(jié)構(gòu), 但是由于 FF 分子的強(qiáng)疏水性使 FF更傾向于插入卟啉 J 聚集體內(nèi)部, 而親水的 KK 分子則被固定在卟啉 J 聚集體的表面, 從而增強(qiáng)了卟啉納米棒的方向性, 并促使納米棒定向生長成纖維束結(jié)構(gòu)[46].
以上是卟啉類分子與不同的寡肽分子共組裝, 通過分子間作用力的協(xié)同以形成不同的組裝結(jié)構(gòu). 而設(shè)計將卟啉和二肽分子通過共價鍵合成為一個分子后, 則可以形成有趣的納米點(diǎn), 卟啉的π-π作用以及整個分子的疏水效應(yīng)是形成的納米點(diǎn)的主要驅(qū)動力. 肽分子中的電荷端基有效地防止了卟啉分子過快的π堆積, 從而起到了穩(wěn)定納米點(diǎn)的作用(圖 3d 和 3e)[47].
綜上所述, 利用兩種或兩種以上的組裝基元間的相互作用可以提高自組裝結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)性, 更有利于通過特定的分子設(shè)計, 實(shí)現(xiàn)自組裝體的功能化.
3 肽分子自組裝的功能化
自然光合成系統(tǒng)能將太陽能高效轉(zhuǎn)化為化學(xué)能, 模擬和創(chuàng)建這類系統(tǒng)為人們更大程度地利用太陽能提供了機(jī)遇. 在自然界中的光合成系統(tǒng)中, 最有效實(shí)現(xiàn)光捕獲以及能量轉(zhuǎn)移的方式即是利用蛋白質(zhì)/肽與具有發(fā)色基團(tuán)的、功能性的分子共組裝形成的自組裝體, 而如何通過精準(zhǔn)的人工調(diào)控, 來增強(qiáng)光捕獲、電荷分離和催化反應(yīng)的持續(xù)性, 是構(gòu)建模擬光合成系統(tǒng)的關(guān)鍵科學(xué)問題.
根據(jù)肽分子自組裝體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 還可以仿生比如光催化產(chǎn)氧. 由于肽分子自組裝的多樣性和可控性, 在模擬生物體系(無論是結(jié)構(gòu)仿生, 還是功能仿生)方面都有很大優(yōu)勢, 值得人們深入探究.
利用化學(xué)藥物的毒性是治療腫瘤常用的方式之一. 通過分子設(shè)計可以有效地將化學(xué)藥物包載到肽自組裝體中. Li 等[63]利用酶響應(yīng)性的樹狀型肽分子連接化學(xué)藥物 Dox, 設(shè)計的分子可自組裝形成表面帶負(fù)電荷的球型粒子, 由于疏水作用, Dox 基團(tuán)集中在粒子內(nèi)部, 因此有效降低了 Dox 對生物體的毒性作用. 在酶的刺激下, 體系發(fā)生解組裝后釋放出 Dox, 從而達(dá)到治療的目的.
光動力和光熱治療是一種光輔助非侵入的腫瘤治療方式, 在治療腫瘤、皮膚病和微生物感染等疾病中有著重要應(yīng)用. 光動力和光熱治療具有操作簡單、選擇性高、毒副作用小等優(yōu)勢, 近年來得到了迅速發(fā)展, 已有一些藥物被批準(zhǔn)用于臨床應(yīng)用. 通過引入合適的光敏劑與肽共組裝[66], 一方面可實(shí)現(xiàn)自組裝體結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控, 另一方面, 有利于提高藥物的生物活性以及生物兼容性.
Yan 等[47]還利用化學(xué)鍵連接的卟啉-二肽復(fù)合分子自組裝形成具有很好的光熱效果的納米點(diǎn). 納米點(diǎn)結(jié)構(gòu)中卟啉π-π作用所形成的 J 聚集結(jié)構(gòu)可以有效地抑制熒光發(fā)射以及單線態(tài)氧的產(chǎn)生, 從而使整個納米在光照條件下具有很高的光熱轉(zhuǎn)換效率, 進(jìn)而用于腫瘤的光熱治療中. 利用原位礦化反應(yīng)制備的包含 Au 顆粒的可注射的水凝膠, 可作為藥物載體負(fù)載藥物后直接被注射并保留在腫瘤內(nèi)部, 進(jìn)行有效的光動力治療[49]. 另外, 由于金納米顆粒本身具有很好的光熱效果, 因此, 這種膠原-金雜化水凝膠亦可用于腫瘤的光熱治療以及光熱-光動力聯(lián)合治療中[70].
其他一些具有光、電、磁的分子亦可引入肽分子自組裝體系中, 并有效地增強(qiáng)體系的性能, 為肽自組裝的功能化提供了有利支撐.
4 總結(jié)與展望
肽超分子自組裝在眾多交叉領(lǐng)域, 包括化學(xué)、材料、以及生物科學(xué), 都有重要的研究意義. 肽分子可自組裝形成管、線、顆粒、纖維等多種從納米至微米尺度的材料, 這些材料在生物醫(yī)藥中具有廣泛應(yīng)用前景. 由于肽自組裝過程是在各種非共價鍵包括氫鍵、π-π堆積、疏水作用、靜電力以及范德華力的協(xié)同作用下實(shí)現(xiàn)的, 因此, 合理地調(diào)節(jié)這些力的相互作用, 便可從動力學(xué)和熱力學(xué)上對自組裝體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控, 從而實(shí)現(xiàn)自組裝體功能的多樣化.
雖然通過調(diào)控組裝環(huán)境因素(包括 pH、溫度、濃度、外場等)可以很好地改變體系中非共價鍵的相互作用, 但是該方法過于單一且不利于自組裝體功能化的實(shí)現(xiàn). 而通過調(diào)控組裝基元的分子結(jié)構(gòu)、亦或設(shè)計兩種(及以上)組裝基元間的共組裝將更有利于獲得結(jié)構(gòu)可調(diào)的自組裝體, 同時引入光敏劑、化藥、酶等功能性分子與肽分子進(jìn)行共組裝, 可以有效提高肽自組裝的性能, 實(shí)現(xiàn)材料功能的多樣化. 例如, 同樣是利用二肽與卟啉分子進(jìn)行共組裝, 但是通過改變二肽分子的性質(zhì), 便可獲得不同結(jié)構(gòu)的自組裝體, 而卟啉的引入賦予材料光捕獲、以及光敏等特性, 使材料可以有效地應(yīng)用于產(chǎn)氫、光動力治療等領(lǐng)域[44,45].
在后續(xù)對肽分子自組裝的研究中, 不能只局限于對自組裝體形貌結(jié)構(gòu)的單一調(diào)控, 更需要進(jìn)一步拓展: (1)注重如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控, 包括在特殊尺度上的控制、對特殊功能的調(diào)控. 在分子設(shè)計過程中, 細(xì)小因素的引入或改變, 都可能對自組裝體的形貌和功能產(chǎn)生巨大影響. 利用多種手段比如分子動力學(xué)模擬, 從多尺度角度理解這些細(xì)小因素對體系內(nèi)非共價鍵相互作用力的改變[81], 可以更有效地實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控的目的. (2)與此同時, 要關(guān)注功能化的自組裝體在復(fù)雜環(huán)境比如生理環(huán)境中的組裝/解組裝和穩(wěn)定性等問題. 一方面有助于深入理解生物分子在復(fù)雜環(huán)境下的作用機(jī)制; 另一方面也為肽自組裝體系在生物醫(yī)藥、綠色能源等多個領(lǐng)域的應(yīng)用提供更有效的支撐.
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