肽自组装体由于具有结构稳定、易调控、生物相容性好、可生物降解等优点,在构筑新型材料及生物医药领域表现出了巨大潜力。本文介绍了肽自组装的概念、机理和应用,详细归纳了刺激响应型肽自组装的研究进展;按照刺激源的不同将刺激响应型肽自组装分为pH响应型肽自组装、温度响应型肽自组装、溶剂响应型肽自组装、光响应型肽自组装、响应型肽自组装以及离子响应型肽自组装;列举了肽自组装在药物控释、脊髓损伤修复、仿酶催化、生物模板等领域的应用。最后,基于目前肽自组装存在的一些问题(如影响肽自组装结构的外界因素不易精准把控、自组装的研究与生命科学领域的交叉程度低等)对肽自组装的发展做了展望。

　　自组装作为超分子化学的核心在自然界中随处可见。自组装是指分子在没有外力介入的情况下,通过分子间的非共价键作用力[1](如疏水作用、范德华力、氢键、π-π堆积作用等)聚集成有序的结构体(如球形胶束、囊泡、线状、带状、层状、柱状、管状、球状和网状等结构[2,3,4,5,6])的过程[7]。最终,所获得的自组装体能呈现出组装单元本身不具备的某些特性,如光、电、生物特性等[8]。近年来,分子自组装在构筑新型功能材料中表现出了巨大的潜力,成为备受关注的研究领域[9,10,11]。随着科学工作者的不断努力研究,分子自组装已经为化学、材料、生物医药、物理、制造、纳米科学等学科提供了新的机会[12,13,14,15,16,17]。

　　肽分子是一种由两个或多个氨基酸序列构成的常用组装基元。由于其与组织、细胞等生物成分有良好的相容性[18],使得肽可以被吸收利用。另外,肽分子还具有较好的可修饰性[19,20],研究人员通过对其侧链基团种类、结构的调控,可使其广泛应用于生物医疗领域[21,22,23,24,25,26,27]。肽对pH、温度、金属离子等环境因素的敏感性使其在自组装生物材料方面拥有良好的可控性和生物智能响应性[28,29,30,31,32,33,34]。因此,人们对肽自组装的兴趣逐渐增加[35,36,37,38]。1993年Ghadiri等设计用八肽自组装成纳米管[39],之后,Zhang等[40]在美国科学院院报上报道了一种包含16个氨基酸的离子互补型多肽,该多肽通过离子互补相互作用自组装成纳米纤维从而形成水凝胶。自此,多种多样的自组装的多肽开始进入人们的视野。目前已经报道了二肽[41]、模型堆积多肽[42,43]、两亲多肽[5]等多种肽自组装单体。这些多肽单体能够组装成多种高度有序的纳米或微米级结构,如纳米纤维、纳米管、囊泡、纳米粒等[44]。肽自组装体显示出了不同的力学性质[45,46]、电化学性质[47]、电学性质[48,49]、光化学性质[50,51]、热力学稳定性[52]和环境相容性[19],可以应用于纳米科技、能源、电子学、力学等多个领域且有高效和大规模发展的潜能[53]。

　　本文详细介绍了肽自组装的机理以及刺激响应型肽自组装在生物医药、材料、合成模板等方面的应用和研究进展,总结了肽自组装结构稳定、生物相容性良好、可生物降解等优点。最后,基于目前肽自组装存在的一些问题(如影响肽自组装结构的外界因素不易精准把控、自组装的研究与生命科学领域的交叉程度低等)对肽自组装的发展做了展望。

　　肽自组装是以肽分子为组装基元在非共价键作用下自组装成具有特定结构的功能体的过程,如图1所示。氢键、静电作用、疏水作用、π-π堆积、范德华力以及它们之间的相互作用是肽自组装形成非常稳定和完整的自组装体系的驱动力[1,3,54,55]。

　　氢键作为构建生物体系组织结构的重要驱动力,在肽自组装形成稳定结构体系的过程中发挥着重要作用。肽链中含有的氨基和羧基两个特征基团以及肽键自身的酰胺基团为氢键的形成提供了丰富的位点。氢键的选择性和高度方向性可以诱导肽转化成为不同的一维、二维和三维纳米结构体系,如图1(a)所示。

　　但是,氢键的形成极易受溶液的极性和pH的影响,改变溶液的pH会使肽链中的氨基、羧基或其他侧链基团发生质子化或去质子化,从而形成带正负电荷的氨基酸肽。带正负电荷的氨基酸肽(如带正电荷的精氨酸、赖氨酸、组氨酸和较为特殊的鸟氨酸以及带有负电荷的天冬氨酸和谷氨酸缩合成的肽)又会产生静电作用,并在静电作用的驱动下产生离子键作用或与水分子发生电荷-偶极作用,这些作用有利于肽自组装结构的稳定性,如图1(b)所示。

　　同时,在生物体中,由于水分子的存在,氢键往往也会伴随着疏水作用一起影响肽分子的自组装。疏水作用是肽自组装的另一种重要的驱动力。其本质是疏水基团为了避免与水分子接触而相互靠近聚集而产生的作用力,不具有方向性。含脂肪族烷基侧链的氨基酸缩合成的肽的自组装就是由疏水作用驱动的,如含丙氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸的肽等。此类氨基酸残基一般包埋于组装体内部,形成稳定的疏水性内核,如图1(c)所示。

　　还有一类含芳香环类的肽分子则是由π-π堆积作用驱动自组装的,如含有苯丙氨酸、色氨酸的肽分子,如图1(d)所示。

　　肽由于其生物相容性好、生物特异性高以及可降解等优势,已经广泛应用于构建自组装单元。肽自组装分为自发性自组装[56, 57]和刺激响应型自组装。自发性自组装是通过肽本身不同基团之间的作用力自发地形成组装体。但是这类组装体变化单一,无法实现药物传递和构建多肽组装体病理学模型等生物系统所需的要求。因此通过可控的方式调控肽自组装实现自组装体的形貌转变方面的研究激发了科学工作者极大的兴趣。他们通过不断努力研究,成功构建了多种刺激响应型肽自组装体系。他们通过控制溶液的pH值、温度、溶剂种类、及离子种类和强度等有效实现了肽自组装体形貌的转变。

　　pH是一个易控制且应用非常广泛的外部刺激,因此,pH响应型肽自组装是目前研究最为广泛的一类刺激响应型肽自组装。溶液pH的改变可以引起氢键的供体和受体位点之间的竞争性溶剂化,进而破坏氢键的平衡和引起静电排斥,最终可以控制肽自组装成不同形态的功能分子[58]。pH主要作用于肽序列的特征基团氨基、羧基以及链上的氨基酸残基。当环境中pH值低于肽链中氨基酸的pKa值时,肽链中的羧基不发生电离,氨基发生质子化,有利于分子间氢键的形成,使肽在酸性溶液中聚集而沉降。当pH值高于pKa值时,多肽链上的羧基发生去质子化,减弱了肽分子间的氢键,此时继续升高pH值,会使肽链中的其他基团也发生去质子化,进而削弱了分子间的盐桥作用,静电作用也开始减弱,肽链重新聚集发生重排,如下式所示。

　　2014年,Moyer等[59]通过控制溶液的pH使PA(肽两亲化合物)自组装成pH敏感型的圆柱形组装体和球形组装体。实验结果表明,改变溶液的pH可以使组氨基酸残基的不同位点发生质子化,进而改变分子中的疏水性位点,从而控制PA的自组装结构。如图2所示,当pH6.5时,带有较高正电荷的质子化组氨酸将破坏纤维形成所必需的β-折叠氢键,导致PA纤维的解体;而当pH=7.5时,PA又可以通过自组装重新形成纤维结构,并且此过程是可逆的。

　　2015年,Chen等[60]设计了一系列由精氨酸和天冬氨酸交替排列构成的不同长度的PA序列[2,38, 61],通过改变溶液的pH值来调节纤维之间的相互作用,进而控制PA序列的自组装结构。实验表明当pH高于或低于序列中某一个氨基酸的pKa值时,这个氨基酸的表面电荷可以被选择性地改变,这能够调节纤维间的相互作用,使PA分子自组装成不同结构的体系。当pH值=11时,由于带有正负电荷序列之间的静电吸引,PA聚集为束状网络结构,而不是普遍塌陷形成大的球状结构,在pH值=13时,由于带有正负电荷序列之间的静电排斥作用,PA分散成良好的纳米纤维,如图3 所示。

　　Ghosh等[62]设计了在正常生理条件下(pH=7.4)以单分子或球形胶束结构存在的肽两亲分子,在遇到酸性环境(pH=6.6)时自组装成纳米纤维的肿瘤脉管系统,如图4所示。在10 μM PA的模拟血清盐溶液(150 mM NaCl,2.2 mM CaCl2)中调节pH值来控制肽自组装,在pH值6.6~7.4范围内,PA分子进行自组装转变,在pH值为7.4时以分离的PA分子或球形胶束的形式存在,在更酸性的pH条件下,肽开始自组装成具有β折叠的特征结构。

　　Guo等[63]通过改变溶液的pH诱导C-12-GAGAGAGY(一种基于丝素蛋白的肽两亲物)的自组装来制造水凝胶。实验发现,pH=11时,C-12-GAGAGAGY自组装成良好分散的圆柱形纳米纤维,随着pH值的降低,这些肽两亲性分子的自组装结构由圆柱形纳米纤维变为纳米带,当pH降低到8时,由于在纳米带两侧的羧基和酚羟基之间的氢键结合,形成的纳米带聚集成平行束,随着pH值的进一步降低其可形成具有高模量和可塑性的水凝胶,如图5所示。

　　温度作为刺激源,变化容易控制,而且在生物体内外的应用都比较容易操作。同时,其对形成具有β-折叠网络的纳米纤维具有重要意义[64, 65],对肽自组装的结构有很大的影响[66]。通过控制温度可以改变肽自组装驱动力(如氢键、静电作用、疏水作用等)的大小进而调控肽自组装。这个可以借助热力学的理论来解释。从热力学的观点来看,任何一个等温、等压、非体积功为零的自发过程,是由吉布斯自由能变(ΔG)决定的,ΔG又可以分解成焓变(ΔH)和熵变(ΔS)两部分:ΔG=ΔH-TΔS。任何一个上述条件下的自发过程,对应的ΔG都是负的,但却有不同的热力学特征描述:焓驱动或熵驱动。其中,焓驱动对应的是两个相互作用的分子之间特异性和反应强度的反映,包括静电作用力、氢键等。而疏水作用会使分子的疏水表面在极性环境中隐藏起来,进而使疏水分子自发地发生聚集,导致系统混乱度增加。而混乱度是系统熵大小的量度,因此,在水中两个或多个疏水分子的疏水作用是一种熵增加的自发过程,故而,疏水作用是由熵驱动的。随着温度的不断升高,分子热运动加快,系统混乱度增大,由熵驱动的疏水作用变强;同时系统焓变会增加,对于由焓驱动的相互作用,由于ΔG会增加,过程自发性减弱,导致氢键、静电相互作用的作用力减弱。

　　2016年,Tantakitti等[64]通过在实验室中制备PA纳米纤维,发现温度影响PA链自组装的构象,随着温度升高,形成的圆柱形纳米纤维中β-折叠结构的百分比增加。正常温度时,肽在高温下自组装的结构可以恢复原形貌。实验中将PA溶液退火至80 ℃,观察到退火所提供的能量使得具有β-折叠二级结构的纤维的成核和快速生长成为可能。随着温度升高,形成的β-折叠的总百分比也增加。Iscen等[23]在310 K、353 K和400 K时进行全原子模拟,也发现随着温度升高,形成的β-折叠的总百分比也增加。在310 K时,(20.0±0.8)%的残余物形成β-折叠,在353 K和400 K时,β-折叠的总百分比分别为(25.4±0.8)%和(27.9±1.0)%。当温度升高到400 K时,β-折叠的形成不仅出现在缬氨酸残基中,而且存在整个PA链中。

　　同样的,Hamley等[67]也观察到了温度可以影响含有β-折叠的肽两亲物自组装体系的结构和水溶剂分子内的氢键强度。实验中设计的肽两亲物C-16-KKFFVLK在室温下的水溶液中自组装成纳米管和螺旋带,但是在加热到328 K时会变成扭曲的胶带,冷却后再次出现纳米管和螺旋带的形式,如图6所示。

　　Huang等[68]报告了温度诱导FF(二苯基丙氨酸肽)从有机凝胶到结晶纳米线结构的可逆自组装。在加热-冷却过程中,FF优先自组装成亚稳纳米纤维和有机凝胶。在升高温度后,它们通过分子重排进一步转化为热力学稳定的晶体结构,如图7所示。

　　基于多肽自组装过程的研究发现,溶剂的改变能够使多肽自组装的结构发生变。