随着超分子化学的发展和纳米技术的兴起,自组装策略现已在化学、物理、生物和材料工程等领域发挥着关键的作用,已成为一种重要的“自下而上”的制备新材料的重要手段。通过多样化的组装策略可以为不同的应用创建各种各样的结构,因此,它不仅成为制造纳米结构的一种实用方法,而且也在构建具有不同尺度的有序结构中显示出极大的优势。蛋白质具有确定的结构和功能,该结构是通过将多肽链卷曲和折叠各种二级结构而形成的高级结构。而该结构能够通过多种刺激响应实现可逆的折叠与解折叠,从而使其具有了多态变化的特征,这使得通过排列蛋白质基元构建不同的功能性组装体提供了优势。同时,控制蛋白质-蛋白质间相互作用的强度、数量或方向可能改变蛋白质的自组装行为。也就是说,蛋白质的结构、连接的类型和排列的方式对蛋白质最终的自组装结构有显著的影响。因此,科学家们能够通过合理设计蛋白质-蛋白质间相互作用等方式精确地调控蛋白质的自组装行为,以构建诸如笼状、线性、环状、管状、片状、囊泡等各种超分子结构。近些年来,界面自组装的兴起为构建大尺寸的组装体提供了有利条件,由于其操作简单和高效受到了科学家们的广泛关注。界面自组装也是驱动蛋白质组装的重要方式,将蛋白质组装与先进的纳米生物技术结合起来,会创建出各种新颖的功能性蛋白质组装体,将为开发功能性生物材料提供新的方向。本论文提出基于界面组装的策略构建大尺寸的蛋白质组装体,并实现对组装体结构和功能的调控,以达到模拟复杂生物系统的目的,从而进一步实现功能性生物材料的构建。具体来说,我们将发展界面蛋白质组装的新方法,以功能蛋白质与表面活性剂的复合物作为构筑基元,利用构筑基元的两亲性使其在油水界面自组装并形成超大的蛋白质组装体,通过控制蛋白质的解折叠与再折叠来实现其对仿生体系功能“开”与“关”的调控。1.基于蛋白质囊泡结构构建“呼吸”囊泡随着纳米技术和纳米科学的迅速发展,界面组装的方式已受到了广泛的关注。界面自组装为蛋白质囊泡的构建提供了一种有效的方法。本章中我们发展了基于界面蛋白质自组装的策略,构建了巨大的蛋白质囊泡,并用于模拟水母的“呼吸”过程。我们选用BSA蛋白作为蛋白质囊泡构筑基元,其等电点为4.7,在中性PBS缓冲溶液中带负电荷。因此,我们利用带正电的表面活性剂CTAB和带负电的BSA之间发生的静电相互作用,然后加入与水不相混溶的异辛醇,蛋白质与表面活性剂的复合物自发地聚集在油-水界面处,由于异辛醇的液滴提供了模板,从而使蛋白质形成了巨大尺寸的囊泡。该蛋白质囊泡能够通过添加和去除变性剂诱导蛋白质构筑基元解折叠与再折叠,使蛋白质发生伸缩的现象,从而使囊泡尺寸发生变化,产生独特的“呼吸”行为。受自然界水母“呼吸”过程的启发,我们构建了含有绿色荧光蛋白EGFP的蛋白质囊泡,通过蛋白质的解折叠与再折叠使EGFP变性与复性,从而导致EGFP荧光的消失与恢复,以实现类水母伸缩导致的可逆荧光开与关的目的。该蛋白质组装模型将为模拟细胞构建“活”组装体开辟一个全新的研究思路。2.基于蛋白质囊泡构建光捕获系统以蛋白质为载体排布发色团是设计构建人工光捕获系统的理想策略。本章中我们利用带负电的BSA蛋白和带正电的CTAB发生静电相互作用,基于界面组装方法构建巨大的蛋白质囊泡,设计制备了高效的智能化光捕获系统。我们将选择受体分子罗丹明B,供体分子FITC,通过化学修饰的方法连接到构筑基元蛋白质上,修饰后的蛋白质同样能够组装形成囊泡。由于该囊泡具有亲水的蛋白质外壳,使其易于分配供体和受体,并且囊泡可以看作是一种卷曲的片层结构,可以拉近供体和受体之间的距离,使供受体之间能够发生有效的能量传递,从而形成了一套完整的光捕获系统。通过变性剂诱导蛋白质解折叠使其处于变性的延伸状态,可以调控供受体之间的距离,从而使能量转移关闭。而通过去除变性剂使蛋白质再折叠,又能使能量传递重新发生。利用这种解折叠与再折叠的蛋白质变构的动态变化的方式将实现能量传递开关的可逆循环。该智能化光捕获系统将来有望用于光催化和光学器件的开发。3.基于蛋白质片层结构构建高效抗菌材料细菌耐药性问题已成为一项严重的全球挑战性问题,迫切需要有效的治疗手段来代替传统的抗生素。天然酶由于具有广泛的抗菌活性,好的生物相容性和不易导致细菌产生耐药性等优势,有望应用于生物医疗等领域。在本章中我们以多种天然酶为构筑基元,建立界面组装的方法构建多酶蛋白质组装体,开发基于多酶联合催化的高效的智能化抗菌系统。为此,我们提出利用溶菌酶、葡萄糖氧化酶、漆酶与聚合物的耦合体在油水界面处组装形成蛋白质片状结构。根据这三种酶的本身特点可知,溶菌酶是一种天然的抗菌酶,葡萄糖氧化酶能够催化空气中氧气氧化葡萄糖产生H₂O₂,从而对细菌造成杀伤,而漆酶是在催化空气中的氧气氧化木质素的过程中可以生成ROS,进而杀伤细菌。基于溶菌酶、葡萄糖氧化酶、漆酶的组装体由于多酶的联合作用,将会表现出高效的抗菌活性。同时,该系统的抗菌活性可以通过变性剂诱导酶的解折叠实现关闭,再通过诱导酶折叠恢复抗菌能力,此过程预期将实现抗菌活性的多次可逆循环。该智能化抗菌系统为开发智能化的材料提供了新思路,期望该智能抗菌材料将来应用于生物医疗等领域。