作为生命体中最为重要的生物大分子,蛋白质几乎参与到所有的生命活动中。研究蛋白质自组装不仅能够揭示蛋白质之间相互作用行为,而且能够设计生物纳米材料,有望在疾病诊治、人造组织、生物机器等领域得到应用。因此,我们也注意到功能蛋白质纳米材料的设计在近些年来已经逐渐兴起,而且仍然存在着亟待拓展和丰富的科学问题。用化学手段操控蛋白质自组装是蛋白质纳米材料设计的重要手段,例如金属离子与氨基酸残基配位、纳米粒子静电作用、有机小分子与蛋白质特异性识别以及蛋白质表面定点化学反应等,而且这些设计的蛋白质纳米结构也被人们尝试用于生物纳米酶、人造光俘获系统、智能药物释放以及纳米反应器的设计。树枝状分子因其具有特定的分子构造和完美的三维立体结构,被人们形象地称之为“人造蛋白质”。科学家利用卟啉树状大分子模拟血红蛋白,并在体外研究其生物功能及催化机理。另外,树状大分子常被人们作为球状蛋白的替代者而应用于免疫诊断学、体外基因表达及遗传信息释放等领域。事实上,树枝状分子作为“人造蛋白质”的研究远不止这些,大自然赋予其跟蛋白质可媲美的结构与功能,这也使得它在蛋白质——蛋白质之间相互作用的研究、蛋白质纳米结构的设计以及与蛋白质相关的疾病研究等领域有着得天独厚的优势。我们也是希望通过对树枝状分子的组装以及其控制蛋白质组装行为的研究为蛋白基功能纳米材料的设计提供了新的方向,也为蛋白质纳米材料的后续研究提供了研究基础。1.无规封端树枝状分子的原位自调整组装跟大多数蛋白质一样,PAMAM树枝状分子表面分布着多个氨基,因此,PAMAM分子展现出跟蛋白质相似的结构与性质。我们尝试对树枝状分子组装行为的研究来探索蛋白质自组装行为。小分子苯甲醛的引入可以在原位与第一代树枝状分子(PD1)表面的氨基反应生成一种动态共价键——席夫碱键,这样局部表面疏水修饰的分子会在溶液中自调整形成两亲性的结构,并且疏水片段向内聚集形成内疏水外亲水的细长纤丝结构。这些纳米纤丝可以继续进行二次组装形成纳米纤维甚至直径更大的微米线结构。不仅如此,这种自组装体的形貌受制于环境酸碱性的变化,环境p H降低会使得席夫碱键水解速率加快进而导致组装体解组装。另外,组装体暴露到空气中也可以因为环境变化而从纤维结构变成球状结构。这种原位修饰树枝状分子的组装对于研究蛋白质两亲性组装有着重要的意义。2.树枝状大分子诱导的自组装蛋白质纳米线PAMAM树状大分子常被作为球状蛋白来研究蛋白质-蛋白质和蛋白质-DNA之间的相互作用,树状大分子如何操纵蛋白质定向组装也是本章研究工作的重点。SP1轮状蛋白质表面特性分析发现其上下表面中心处各存在一个电负性的空穴,而正电荷主要分布于外表面,因此尺寸互补的正电纳米粒子很可能通过静电相互作用控制蛋白质面对面排列形成纳米线。在此我们尝试用一种“人造球状蛋白质”——第五代树枝状大分子(PD5)静电诱导蛋白质组装。我们发现球状PD5分子的确能够与SP1轮状蛋白质上下表面发生静电作用,而且每个巨大的“球状蛋白质”可以与两个SP1蛋白的上下表面在反方向上作用,使得蛋白质面对面平行排列形成“三明治”结构,进而组装形成有序的线形蛋白质纳米阵列。而且PD5与SP1之间多重静电作用力使得蛋白质纳米阵列在一定的离子强度、p H环境、温度以及缓冲溶液中仍能够稳定存在。3.构建双酶协同的抗氧化蛋白纳米线高度有序的蛋白质纳米阵列常被科学家用于设计功能化的蛋白基纳米材料。这种树状大分子与蛋白质二元组装体系对生物体内多功能协同机理研究以及多功能集成蛋白基纳米材料的设计是非常有效的。因此我们利用PD5诱导SP1形成的蛋白质纳米线构建了双酶协同催化体系,希望以此研究生物体内复杂的生物过程。SP1蛋白上选择合适的位点引入硒代半胱氨酸成功设计了具有谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)活性的硒代SP1,另外用PD5分子表面裸露的氨基共价连接超氧化物歧化酶(SOD)模拟物。树状大分子控制蛋白质自组装不仅保持了原有的组装结构结构,而且实现了多酶协同、多催化中心集成纳米仿酶的构筑。这种双酶协同的纳米体系能够展现出很高的GPx和SOD双重活力,而且能够更好地保护线粒体免受氧化损伤,同时展现出非常好的生物相容性、优异的细胞吞噬能力和超低的细胞毒性。4.可逆的光致异构蛋白质纳米线的设计蛋白质纳米材料的发展也不断从“结构化”向“智能化”发展。人们已经能够通过精确操控蛋白质—蛋白质作用面来设计开发出各种蛋白质结构,但是如何通过动态控制蛋白质之间相互作用行为来调节蛋白质组装形貌成为了当前极富挑战性的课题。我们利用光致异构的PAMAM树状大分子可逆调控蛋白质的组装行为。光可以可逆调控偶氮苯为核的PAMAM树枝状分子(Azo PD4)两侧的树突结构的构象转变,进而控制蛋白质组装行为的变化。我们发现球形的Azo PD4能够在可见光下控制SP1蛋白质面对面平行排列形成纳米直线,而当在紫外光照后,因其构象异构使得SP1面面排列产生一定的夹角,进而形成蛋白质曲线。而且,异构后的蛋白质曲线也可以在可见光照后返回到原来的纳米直线。因此,我们能够通过光诱发蛋白质纳米线形貌的转变来实现纳米线曲率的可逆调控。