多肽分子自組裝研究進展

最近，該分子的自組織被用作化學合成、納米技術、高科技材料和工程技術的一種新方法，并取得了迅速的發展。分子自組裝系統已經成為分子生物學、化學、材料學和工程技術等學科的交匯點。許多自組裝系統得到了發展,有著廣闊的應用前景。自1992年美國麻省理工學院的張曙光博士從酵母蛋白中發現了一組異乎尋常的能自組裝的離子短肽(含16個氨基酸殘基)后,開拓了一個分子自組裝技術的新領域。10年來又有一系列可自組裝的離子短肽被設計,其組裝的納米尺寸的材料具有廣泛的潛在用途,包括:作為創傷修復的支架,用于組織工程和藥物釋放,以及用于生物材料表面工程等。1自組裝體系的設計分子自組裝就是在適當條件下,分子間通過非共價鍵相互作用自發組合形成的一類結構明確、構造穩定、具有某種理化性能的分子聚集體或超分子結構。用這一方法可得到所謂自組裝納米材料,這種材料可能具有新奇的光、電、催化等特性,在分子器件、分子調控方面有潛在應用價值。因而分子自組裝體系的設計與研究引起了學術界廣泛的興趣。非共價鍵包括:氫鍵、離子鍵和范德華力等,雖然這些鍵都很弱,但共同作用可得到結構穩定的材料。分子自組裝源于受體與供體之間的化學互補和結構相容,一個例子就是蠶絲的自組裝。蠶絲的絲蛋白單元長度大約是1μm,但是單根蠶絲可通過單元的自組裝生成超過1公里長的絲質材料,這大約是蠶絲蛋白單元的兩百萬倍。如此驚人的自組裝工程是目前人類技術無法實現的。又如每個核苷酸單元約是0.34nm,人體內的第22條染色體通過自組裝能延伸至大約1.2cm,是單體的3500萬倍。2多孔分子自組裝系統多肽分子自組裝系統近年來得到廣泛關注和研究,根據肽自組裝系統的特征和功能,可以將它們分為以下幾類。2.1由帶型質肽內的互補離子鍵結構第一類自組裝肽又稱為“分子積木”,因為它們具有性質截然不同的表面,其親水與憎水表面像積木塊的楔和孔一樣,能自組裝成不同的結構。代表性的肽如RAD16和EAK16(AEAEAKAKAEA-EAKAK)等。這些肽能在分子水平組裝成β-折疊結構,結構特征是在親水面往復形成互補離子鍵,這些互補離子面可分為不同類型,包括:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和混合類模式。主要分類原則是根據分子親水面上帶“正”或“負”電的氨基酸殘基的排列順序。例如:模式Ⅰ為-+-+-+-+的順序,模式Ⅱ為--++--++,模式Ⅳ為----++++。不同的順序能使它們進行不同形式的自組裝。2.2dar136-肽第二類自組裝肽常被稱作“分子開關”。因為它們能在外界條件改變時發生結構突變,在分子元件中可以利用此結構突變控制其開關。代表性肽有DAR16-Ⅳ和EAK12等。一種可用作“分子開關”的由16個氨基酸組成的DAR16-Ⅳ肽,在室溫下可形成5nm長的β-折疊,但是在高溫條件下則突變為2.5nm的α-螺旋結構。結構變化同樣可以由pH的變化引起,這些發現說明一些二級結構可能在適當條件下進行構象轉變,可作為新一代納米啟動裝置的分子開關。2.3自組裝肽表面的修飾材料第三類自組裝肽被稱為“分子涂料”,因為這類肽能在材料表面自組裝形成一層覆蓋層,為細胞生長和細胞與其它分子的作用提供一種物質基礎。代表性的有RADSC-14(RADSRADSAAAAAC)和RADSC-16等肽在EG6SH表面的自組裝單層。這些短肽有三種特征:(1)肽的終端配位基可與一些功能基團結合,從而被其它分子識別;(2)其中心的配基不僅能自由地相互作用,而且還決定肽的韌性;(3)肽表面的某些官能團之間形成共價鍵。用第三類自組裝肽和其它物質修飾材料的表面,將是一種生物醫藥和生物技術的有用手段和技術,這一生物表面工程技術將為研究細胞間信息傳遞和細胞功能提供新方法。此外,一些其它類自組裝系統已經作為新材料而得到發展,包括復合肽自組裝系統和肽自組裝納米管等。3肽自組裝的研究除同種肽的自組裝外,不同種類的肽自組裝系統也得到發展和應用。例如:用作修復支架材料,組織工程和藥物釋放基質,甚至用于蛋白質折疊結構形成機理的研究等。有關進展可歸納為如下幾個方面:(1)20世紀中葉,隨著結構化學和生物化學的發展,對天然蠶絲、膠原、角蛋白、肌漿球蛋白和纖維素等進行了廣泛的研究。同時還開始研究利用氨基酸聚合物和它們的共聚物來制造新材料,并取得了一定成果。例如Trabbic和Seidel等利用降解的蠶絲和蜘蛛絲為原料重新組裝生成一種性能更為優越的新材料,Rathore和Sogah將AGAGAG和AAAAAA肽分別引入降解蠶絲和蜘蛛絲重組得到新材料。這些研究表明,分子自組裝為合成生物高分子提供了一種新的有效途徑。(2)在肽的自組裝中,肽的設計是至關重要的,因為不同肽分子可以自組裝成不同的宏觀結構。Ryadnov和Woolfon根據亮氨酸肽鏈的結構設計SAF-pl和SAF-2a兩種肽,并用它們自組裝成纖維,這種肽鏈與其它亮氨酸鏈不同之處在于它的末端是賴氨酸,導致其自組裝活性降低,易自組裝成無支鏈纖維。當兩種肽混合時,電子顯微鏡顯示它們可以共同自組裝成單一線性無側鏈的纖維。作者對T形肽T-SAF的合成進行了設計,可在作為T形的橫梁肽的側鏈上合成T的直立桿部,也可以將作為橫梁肽的側鏈與桿肽的一端連接直接形成T型肽。當將T肽與以上兩肽混合時,圓二色譜顯示有直鏈和支鏈纖維共同生成。這為設計不同結構的肽來自組裝成不同結構的纖維材料提供了新的途徑。(3)生物材料表面改性可使用蛋白質沉積和接枝肽序列等方法,生物配體自組裝的方法與化學改性方法相比有著獨特的優點。①設計出適合的配體讓細胞表面能夠識別,再用親和色譜分離帶配體的細胞,則配體可控制這類細胞在生物材料表面的黏附和生長;②配體與受體的作用可使細胞黏附更牢固;③細胞的黏附使細胞內傳遞的一系列信號增強,從而導致細胞向人工醫用支架內擴散生長,當與生長因子共同作用時,可以誘導細胞增殖和轉移,這為人體組織的誘導再生提供了可行途徑。(4)對多肽自組裝的研究有助于提供對蛋白質折疊結構的研究,還可以對一些重要生物現象進行模擬,如為生物體內信息和能量的傳遞和催化等過程提供簡單的模型。從肽的α-螺旋到β-折疊自組裝再到三維功能系統的研究將是自組裝肽系統今后發展的重點之一。(5)新材料自組裝納米管是目前重點研究的自組裝體系。它一般由環肽自組裝生成,這些肽納米管的大小和形狀可以由生成時的反應條件控制,這樣可以設計出多種材料。其用途有:①與細胞膜作用,可生成藥物分子出入的通道;②不同的細胞有著不同的細胞膜結構和特性,利用肽自組裝可以設計與癌細胞專一結合的肽納米管,作為藥物作用的靶點;③可以制造新的分子裝置和催化劑,也有可以制造半導體或銅納米導線;④可直接用作抗菌材料,它可以嵌入細菌組織中,對革蘭氏陰性和陽性菌