|
超分子自组装催生了许多功能强大的复合材料，而风格迥异的生命科学和材料科学作为本世纪科技发展的带头学科，蛋白质和纳米粒子的自组装会带来怎样的新功能？来自瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的Arosio课题组在德国应用化学发表题为”Adaptive chemoenzymatic microreactors composed of inorganic nanoparticles and bioinspired intrinsically disordered proteins”的研究论文，将无机纳米粒子和无序蛋白组装成具有多种功能的自适应化学酶微反应器。 ——背景—— 与无机物不同，生物体是动态的，需要随时对外界条件的变化作出响应，进而适应和进化，细胞正是在这种过程中学会了无膜相分离。与之有关的蛋白往往序列和结构域的复杂度较低，并且没有规则结构，一般称其为无序蛋白质。无序一方面削弱的蛋白的分子间作用力，另一方面也增强的蛋白形成多价相互作用的能力，进而更有效地响应外界变化。这种性质实际上提供了一种具有时空响应的相分离调控方式。如果在此调控基础上引入一些电磁性质，可以预见这种新颖的工具或许能产生具有全新功能的复合材料。 ——功能—— 顺着这个思路，作者首先将低复杂度的结构域（图1A绿色部分，LCDs）与globular enzyme adenylate kinase（图1A蓝色部分）结合，这种LCDs来自于最早确认具有液液相分离性质的DEAD-box helicase protein LAF-1。实验证明蛋白组装体一方面可以分相，另一方面也具有催化活性；接着在磁性纳米颗粒（直径52nm）表面负载anti His-Tag抗体（图1A黑色部分），而在蛋白组装体加上His-Tag（图1A橙色部分），通过非共价相互作用，蛋白便可包覆在磁性纳米颗粒上。
图1 无序蛋白的相分离性质可以迁移到纳米粒子。B. 左边为SEM，右边为TEM，中间为动态光散射测定的组装体直径，绿色为低离子浓度，黑色为高离子浓度。 通过动态光散射，TEM等手段，可以证明组装体仍可以分相，并且对盐浓度和pH具有响应（图2）。当离子浓度逐渐减弱，可以看到很明显的液滴出现，这些液滴直径在微米量级，表明组装体自发聚集；而强酸强碱环境下组装体形成均一溶液，在pH=5—9内，同样可以分相，这与单一的蛋白LCD分相性质相似。
图2. 不同离子强度和pH下的组装体相分离。 为了证明这种响应是可逆的，作者设计了pH钟，通过周期性改变pH观察颗粒直径的变化（图3），结果也表明当pH在5-9之间，分相是可逆的。
图3. pH钟表明组装的可逆性。 通过增加蛋白的化学剂量，可以生成球形液滴（图4A, B），而这种液滴内部是具有磁性粒子的，因此在磁场作用下可以展现出规整的链形排列或者纤维（图4C），另外由于局域浓度的提高，一方面液滴内部的蛋白链集中了酶的活性，使得AK催化更有效(图4D)；另一方面纳米粒子的催化反应也更加有效（图4E）。这些结果实际上暗示了无机粒子-生物大分子复合材料具有的强大功能。
图4 多功能微反应器的表征 B. 左边为cryo-TEM，右边为SEM。D. 左边为明场显微镜图像，右边为荧光显微镜图像。E.荧光显微镜图像，通过观察过氧化氢的还原，可以评估纳米粒子的催化性能。 ——小结—— 总的来说，这项工作表明自组装生物无机系统，可能会展现出更高级的自适应性，对多种不同的刺激都能产生响应。这对异向生物催化，生物传感器以及纳米药物等领域提供了一种可行的研发思路。 Palmiero, Umberto C., et al. “Adaptive chemoenzymatic microreactors composed of inorganic nanoparticles and bioinspired intrinsically disordered proteins.” Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59: 8138-8142. DOI: 10.1002/anie.202000835 |
|
|
