生命大分子自組裝

張 燕，陳 建，甘喜武，王正華

(1.黃岡師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，湖北 黃岡 438000；2.黃岡市教育局，湖北 黃岡 438000；3.湖北省黃岡中學(xué)，湖北 黃岡 438000 )

分子自組裝是多個(gè)小分子自發(fā)聚集成大分子或超分子的過程，通過分子間的弱相互作用力(范德華力和氫鍵)及其化學(xué)協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)[1]。分子自組裝過程能將無序的小分子體系轉(zhuǎn)化成有序的大分子體系，因此分子自組裝技術(shù)可以與物理、化學(xué)、生物以及材料等多個(gè)學(xué)科交叉融合，從而促進(jìn)新概念和新技術(shù)的產(chǎn)生。自組裝離我們的生活并不遙遠(yuǎn)，可以說自組裝過程以各種形式在自然界中發(fā)生，從分子水平的蛋白質(zhì)折疊和脂質(zhì)雙分子層的形成，到地球整個(gè)生物系統(tǒng)的建立，每個(gè)生物有機(jī)體都是通過各種具有生命活性的小分子自發(fā)聚集組裝形成。

人們對(duì)自組裝技術(shù)的研究通常是受到生物體系的啟發(fā)：(1)從小分子的核苷酸(含堿基的腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶及胸腺嘧啶)自組裝能形成生命體的基因密碼到轉(zhuǎn)基因技術(shù)和人工自組裝合成DNA類似物技術(shù)[2-4]；(2)從小分子氨基酸(20種天然氨基酸)在生物體內(nèi)自組裝合成生命蛋白到人工自組裝合成多肽小蛋白技術(shù)[5-6]。生命體系中高度有序的大分子結(jié)構(gòu)對(duì)生命活性和生物功能承擔(dān)著重要作用：由于活性分子之間范德華力和氫鍵的相互配合,共同使得復(fù)雜的生物大分子按照特定的規(guī)律,形成均一的分子形狀和尺寸。因此生命過程得以實(shí)現(xiàn),很大程度依賴弱的分子間作用力對(duì)大分子的精確控制。

高中化學(xué)中介紹了氫鍵的形成原理及作用方式，因此可以在高中化學(xué)必修二分子晶體模塊和選修三氫鍵模塊相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)過程中，引入DNA折紙術(shù)的概念并組織學(xué)生制作DNA折紙模型，可以使學(xué)生們更加形象地了解氫鍵的形成及其作用。DNA折紙術(shù)的可作為教學(xué)中的情景素材，體現(xiàn)新課標(biāo)課堂的教學(xué)要求。

1 DNA的可視化-DNA折紙術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們?yōu)榱藰?gòu)建能應(yīng)用于工程學(xué)和醫(yī)學(xué)的細(xì)胞機(jī)器，一直期望借助自組裝技術(shù)制造出達(dá)到細(xì)胞或細(xì)胞器的尺寸和復(fù)雜性的人造物體。人們逐漸發(fā)現(xiàn)通過設(shè)計(jì)DNA分子的納米結(jié)構(gòu)可以制造出尺寸大于正常細(xì)胞的細(xì)胞機(jī)器。盡管DNA、RNA和蛋白質(zhì)都可以用于自組裝設(shè)計(jì)納米級(jí)仿生體系，但因DNA鏈上特定堿基之間通過強(qiáng)烈的氫鍵作用形成穩(wěn)定互補(bǔ)且可預(yù)測(cè)的堿基對(duì)而具有特殊的可編程性，這個(gè)優(yōu)勢(shì)促使DNA成為最優(yōu)的納米級(jí)構(gòu)件。

DNA折紙術(shù)作為DNA納米技術(shù)發(fā)展的里程碑，通常由長(zhǎng)鏈DNA在數(shù)百條被稱為“訂書針”的短單鏈DNA的作用下被折疊成目標(biāo)形狀，而這些短單鏈DNA之所以能充當(dāng)長(zhǎng)鏈DNA的“訂書針”，是因?yàn)樗芘c長(zhǎng)鏈DNA特定區(qū)域的堿基形成穩(wěn)定氫鍵，從而實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)長(zhǎng)鏈DNA的折疊過程。由于DNA折紙納米結(jié)構(gòu)中的每個(gè)DNA鏈都占據(jù)著一個(gè)獨(dú)特位置，可以作為一個(gè)獨(dú)特的像素，自組裝DNA納米結(jié)構(gòu)能獲得納米級(jí)精確的圖案(圖1)[7-8]，因此DNA折紙術(shù)非常適用于創(chuàng)建可編程的分子機(jī)器和功能材料陣列領(lǐng)域。

圖1 脫氧核糖核酸(DNA)單鏈?zhǔn)疽鈭D(a)；DNA折紙技術(shù)將長(zhǎng)鏈DNA折疊成公雞圖像(b)

DNA折紙術(shù)已經(jīng)廣泛地用于二維和三維納米DNA生物構(gòu)件的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)上的二維和三維的磚狀DNA折紙物體的實(shí)現(xiàn)是借助于DNA納米結(jié)構(gòu)的圖形設(shè)計(jì)程序?qū)⑵叫械腄NA構(gòu)造組裝在正方形的蜂窩網(wǎng)格上以賦予三維的結(jié)構(gòu)剛度。獲得的二維和三維DNA生物構(gòu)件可以廣泛用于模板材料(如：如碳納米管、金屬納米線、片狀石墨烯和細(xì)胞配體圖案)[9-12]。此外，功能化二維DNA折紙構(gòu)件還可以用作單分子化學(xué)反應(yīng)器、能量轉(zhuǎn)移裝置、藥物傳遞和平版印刷的支架。這些功能都是依賴于在預(yù)設(shè)位置執(zhí)行DNA折紙的二次功能化能力，以及DNA納米構(gòu)件的剛性結(jié)構(gòu)。由于在二維和三維DNA構(gòu)件中，DNA束具有高電荷密度，需要借助高離子強(qiáng)度條件來穩(wěn)定磚狀折紙。為了實(shí)現(xiàn)剛性二維線框DNA自定義形狀折紙對(duì)象的通用設(shè)計(jì)和制作，Jun等[8]人引入全自動(dòng)逆序列設(shè)計(jì)了增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度的三層折紙結(jié)構(gòu)程序(圖2)，同時(shí)通過改變多邊形的定點(diǎn)數(shù)和精確多邊形的頂角，獲得了正方形和五邊形的DNA折紙納米結(jié)構(gòu)(圖3)。

圖3 基于雙螺旋DNA(DX-)和DNA螺旋束(6HB-)折疊成二維DNA折紙構(gòu)件：a.正方形；b.五邊形；c和d分別為其對(duì)應(yīng)的原子力顯微鏡圖片

圖2 基于DNA螺旋束的二維線框DNA折紙術(shù)

DNA折紙術(shù)前沿?zé)狳c(diǎn)，可從三個(gè)方面將其引入高中化學(xué)的教學(xué)過程中：(1)將DNA折紙術(shù)作為課堂教學(xué)的真實(shí)情景素材，先給學(xué)生介紹DNA的神奇，再通過挖掘DNA折紙術(shù)背后的原理，使學(xué)生能充分理解氫鍵的作用原理及作用方式，最終解釋DNA折紙術(shù)的原理，促使學(xué)生在該過程中能獲得解決真實(shí)情境問題的能力；(2)DNA折紙術(shù)具有一定的趣味性，可以作為高中化學(xué)教學(xué)的課外拓展活動(dòng)，有望提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣；(3)氫鍵作為較強(qiáng)的分子間作用力，也是DNA折紙術(shù)的核心，因此該內(nèi)容還可以作為命題素材。

2 蛋白質(zhì)的可視化

蛋白質(zhì)的基本組成單元是由20種天然氨基酸(也稱為L(zhǎng)-氨基酸)：甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)、纈氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)、異亮氨酸(Ile)、甲硫氨酸(Met)、脯氨酸(Pro)、色氨酸(Trp)、絲氨酸(Ser)、酪氨酸(Tyr)、半胱氨酸(Cys)、苯丙氨酸(Phe)、天冬酰胺(Asn)、谷氨酰胺(Gln)、蘇氨酸(Thr)、天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、賴氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)和組氨酸(His)。因此，蛋白質(zhì)是由L-氨基酸依據(jù)一定的次序以肽鍵(酰胺鍵)連接而形成的生物大分子，這些酰胺鍵中的氧原子極易與肽鏈主鏈或側(cè)鏈上的氫原子形成氫鍵，而導(dǎo)致肽鏈和蛋白質(zhì)大分子具有多種結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)中，蛋白質(zhì)多肽鏈的氨基酸序列稱為一級(jí)結(jié)構(gòu)，在序列的不同區(qū)域由于分子內(nèi)氫鍵作用形成局部規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)(α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu))，而三級(jí)結(jié)構(gòu)則是這些一級(jí)和二級(jí)結(jié)構(gòu)通過分子間氫鍵的作用組裝形成一個(gè)或幾個(gè)緊湊的球狀單元(稱為域)，最終的蛋白質(zhì)分子可以由一條或幾條多肽鏈通過氫鍵自組裝形成四級(jí)晶體結(jié)構(gòu)(圖4)。

圖4 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)：一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)

生活中肉眼可見的膠原蛋白(常見于動(dòng)物皮和雞蛋清等)都屬于最終蛋白質(zhì)分子。此外，還有一些三級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)也可以觀察到，如由大約238個(gè)氨基酸構(gòu)成的綠色熒光蛋白(GFP)，該蛋白是由11條反平行的β-線自組裝形成一個(gè)桶狀結(jié)構(gòu)，該桶狀結(jié)構(gòu)的中心組裝整合了一個(gè)單鏈α-螺旋結(jié)構(gòu)以及桶狀結(jié)構(gòu)兩端的若干多肽環(huán)和短螺旋，采用藍(lán)光或紫外光照射時(shí)會(huì)激發(fā)該蛋白質(zhì)發(fā)射綠色熒光(圖5)。2008年日本科學(xué)家下村修、美國科學(xué)家馬丁·查爾菲和錢永健也因?yàn)樵诎l(fā)現(xiàn)和改造綠色熒光蛋白質(zhì)領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。綠色熒光蛋白在藥物篩選[13]、生物傳感器[14]以及基因調(diào)控[15]方面應(yīng)用廣泛。

圖5 水母中的綠色熒光蛋白

熒光蛋白最特別之處是能發(fā)射熒光，該結(jié)構(gòu)中位于桶空腔中心的65-67位的氨基酸殘基(絲氨酸、酪氨酸、甘氨酸)經(jīng)過環(huán)化、脫氫等作用后形成發(fā)色團(tuán)，而且發(fā)色團(tuán)只需在氧氣作用下由桶結(jié)構(gòu)外周的氨基酸氨基催化即可。綠色熒光蛋白的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，例如將藥物小分子與綠色熒光蛋白結(jié)合，可以示蹤藥物分子的運(yùn)動(dòng)路徑[16](圖6)。

圖6 熒光蛋白示蹤小鼠體內(nèi)的藥物運(yùn)行路徑

3 展望和結(jié)語

本文主要簡(jiǎn)單介紹了DNA折紙技術(shù)和蛋白可視化的應(yīng)用及其前景，探討了生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與人們?nèi)粘Ｉ畹木o密聯(lián)系。DNA折紙術(shù)和蛋白質(zhì)可視化的基本原理是化學(xué)小分子物質(zhì)通過分子內(nèi)氫鍵和分子間氫鍵作用逐步自組裝成人們“肉眼可見”的生命大分子。教師在高中化學(xué)的教學(xué)過程中可介紹氫鍵的原理和作用方式后，將DNA折紙術(shù)和肽鏈自組裝成可視化蛋白質(zhì)的神奇性展示給學(xué)生，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。同時(shí)，可設(shè)置問題引發(fā)探究，為什么存在長(zhǎng)鏈DNA某處堿基互補(bǔ)的短鏈DNA時(shí)，短鏈DNA就能插入到互補(bǔ)的2條長(zhǎng)鏈DNA中實(shí)現(xiàn)“訂書針”的作用？肽鏈自身由于氫鍵作用形成二級(jí)結(jié)構(gòu)后，為什么肽鏈間還能通過分子間氫鍵形成三級(jí)或四級(jí)可視化蛋白結(jié)構(gòu)呢？可以激發(fā)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的意識(shí)、拓寬分析問題和解決問題的視野、激發(fā)他們探求未知事物的興趣。