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肽基多孔材料及其应用
浏览量:765 | 2024/2/23 16:06:41

    

摘要:多肽自组装形成的多孔结构是新一代多孔材料, 在催化、传感、分离和药物递送等领域具有很好的应用前景. 肽基多孔材料的孔内充满氨基酸侧链, 因此可以通过合理设计或修改肽序列来调节其孔径大小和性能. 功能基团和金属离子的引入进一步扩展了多肽基多孔材料的结构与性能. 在这篇综述中, 我们讨论了肽基多孔材料的设计、合成、组装及其性能, 并综述了近年来其在不同领域的应用.


肽一般由2~50个氨基酸通过氨基和羧基脱水缩合形成的肽键连接而成。肽广泛存在于生物体中,是生物体不可缺少的功能成分,是大自然赐予人类的礼物。与蛋白质相比,肽的分子组成和结构更为简单,在设计阶段很容易预测其结构和功能。肽基纳米材料已广泛应用于生物、化学、材料科学等领域[1–4]。


分子自组装作为自然界中普遍存在的基本现象之一,是许多重要生命活动的基础[5,6]DNA的双螺旋结构、蛋白质的高级结构都是分子自组装的典型例子,与蛋白质的自组装行为类似,肽分子通过非共价相互作用自组装形成各种有序结构,如纳米纤维[7,8]、纳米粒子[9]、纳米管[10]、囊泡[11], nanoribbons [12]和水凝胶[13,14]影响肽组装的非共价相互作用主要包括氢键、π-π堆积[15]、静电相互作用和疏水相互作用[16]pH、温度等外界刺激都会影响上述非共价相互作用,因此这些因素也成为研究人员研究和控制自组装过程的工具[17,18]通过设计响应各种刺激的新结构,自组装肽领域取得了重大进展[19]此外,一些具有特定功能的组分也通过共组装或共价偶联的方式与肽结合,赋予肽结合物新的性质[20–23]。


对多孔材料的探索从未停止,沸石的研究[24]、金属有机骨架(MOF)[25]以及有机超分子多孔材料[26,27]取得了可喜的进展,多肽由于具有良好的生物相容性和手性,在生物催化、手性检测与分辨、气体吸附、药物输送等方面有着潜在的应用[28].对肽自组装的丰富了解使得其性能和结构在设计阶段就能得到很好的预测。因此,肽基多孔材料从其他多孔材料中脱颖而出,成为近十年来研究人员的研究热点。在这篇综述中,我们总结了肽基多孔材料的最新进展,并讨论了它们的设计策略及其作为多孔生物材料的潜在应用。然后,我们对自组装肽基多孔材料在未来化学、生物和材料科学中的潜力进行了深入的分析。


肽基多孔材料的设计与特性


通过合理设计肽序列,配以合适的溶剂和外界条件,可以很容易地控制肽自组装成多孔结构。通过改变各位点的氨基酸残基,可以合理设计肽序列,使其折叠成二级结构,包括β链、α螺旋、肝素链和卷曲螺旋(方案 1)这使我们能够利用天然孔隙的某些特性和功能,而这些特性和功能是使用传统多孔材料无法实现的[49]。


目前为止,能够自组装成高度有序多孔材料的肽包括二肽、三肽、多肽(表 1这些肽可以自组装成具有精确定制孔结构的多维多孔材料,包括二维(2D)多孔膜,3D多孔晶体和多孔纳米笼(方案 1此外,MOF往往具有较高的孔隙率和比表面积,以肽分子为配体的金属肽骨架近年来也取得了突破性的成果[50,51]。



与传统多孔材料相比,肽基多孔材料具有以下特点(方案 2)首先,肽可以作为手性配体,用于制备对客体分子具有高对映选择性的多孔材料[28],可用于手性分离和催化[52]其次,肽主链为半刚性,同时具有一定的柔性,因此以肽配体为骨架的肽基多孔材料可视为“晶体海绵”,其形状和孔径可随外界刺激而动态变化,从而有望合成具有独特功能的智能材料[34,46]第三,通过控制链长和侧链相互作用,可以合理设计肽基多孔材料,获得任意的孔径和性质[35,39],更重要的是它们具有生物相容性且毒性低,从而在吸附分离、催化、药物输送、能量存储与发电等各个领域展现出巨大的应用前景。


由二肽和三肽自组装的多孔材料


具有分子大小孔径的二肽基材料在分子分离中具有重要意义[53–55],二氧化碳的捕获[56]、储气库[57–59]和功能设备[60]二肽是一种易于获得的构建块,可通过超分子自组装构建稳定的多孔材料。通道内的共结晶溶剂通常可以完全去除,而不会破坏多孔二肽晶体的空间结构。多孔二肽的孔径相对较小,孔密度高,从而具有较高的表面积和孔隙率[49]。


1996 年,Görbitz 和 Gundersen[61]发现含有两个疏水残基的二肽Val-Ala(VA)具有“空中心通道”的晶体结构,并推测其他疏水二肽也会有类似的结构。这是关于多孔二肽晶体的首次报道,为二肽多孔材料的研究奠定了基础。正如推测的那样,Görbitz发现其他六种疏水二肽也具有疏水孔和相同的3D氢键网络。疏水侧链在这些结构中形成与六边形轴平行的通道内表面[62]。因此这些二肽被统称为 VA 类多孔二肽(图 1a)VA 类是独一无二的,因为可以在不破坏肽宿主支架的情况下去除通道内的共结晶溶剂分子。


第二种二肽多孔材料称为 Phe-Phe (FF) 类。它们具有一维氢键和亲水通道,并且基于具有较大侧基的残基,例如 Leu、Phe 和 Trp (图 1a、e-h)。多孔FF纳米管具有非凡的机械强度,以及高化学和热稳定性。它们已被用作铸造银纳米线的模板[63]作为药物输送的纳米载体[64]或生长在电极上用于储能[65]和一代[66]。


FF 可以通过其他功能组进一步修饰。王等人。[三十,31]报道了在肽的C末端引入二茂铁(Fc)基团。二茂铁-二苯丙氨酸(Fc-FF)肽可以与二价甲基哌嗪反离子自组装成多孔晶体。晶体的基本结构是螺旋状的Fc-FF二聚体,由肽C末端的手性二胺和水分子稳定通过强氢键和静电相互作用(图 1i–k)。手性在结晶过程中起着至关重要的作用。Fc-大号F大号F和年代-(+)-2-甲基哌扎因 (S-MP) 或 Fc-德F德F和R-(−)-2-甲基哌扎因 (R-MP),而对于 Fc-大号F大号F 和 R-MP 或Fc-德F德F和 S-MP,没有形成晶体。Fc-大号F大号F 和 S-MP 呈现一维交叉 β 脊柱,是 Fc-大号F大号F 具有左手性。而 Fc-德F德F 和 R-MP 呈现 Fc-德F德F 但用右手[31]。


组成肽的氨基酸的手性也会影响多孔结构的形成[32,33,67]. Marchesan 的团队[33]设计了一系列疏水大号—苯丙氨酸—德-是的-大号-Phe 三肽,其中 d-Xaa 是德-脂肪族氨基酸。单晶X射线衍射(XRD)数据显示异手性三肽和同手性三肽的包装存在显著差异。对于苯丙氨酸-德-Nva-Phe 是一种具有多孔水通道的两亲构象,如图所示图 1l相反,同手性三肽 Phe-Ala-Phe 形成致密的层状结构(图1m)。


与二肽相比,三肽的主链由于序列较长而更加柔韧,因此三肽组装形成的骨架结构更加柔韧,可以具有特定的力学和孔隙性质。例如,Ulijn 团队[34]报道了四种三肽序列HYF (His-Tyr-Phe)、YFH (Tyr-Phe-His)、淀粉化DYF (Asp-Tyr-Phe-NH 2 )和YFD (Tyr-Phe-Asp-NH 2 )的自组装。分别得到了HYF、DYF和YFD的针状晶体以及YFH的无定形聚集体。研究了材料对不同相对湿度变化的结构响应。研究发现,在纳米多孔三肽晶体的蒸发诱导驱动过程中,水-氢键的加强促进了能量转移并驱动孔径收缩。对三种晶体三肽的比较发现,HYF形成的水孔结构具有更强的氢键网络,因此,HYF在用作水响应(WR)材料时也具有更高的能量密度(图 1n,o)。


多肽自组装多孔材料


与二肽和寡肽相比,多肽由于组成氨基酸数量较多,具有更大的可设计性和灵活性。自组装形态不仅取决于氨基酸序列,还取决于其二级结构和化学修饰[68]。


2013 年,Woolfson 团队[35]提出了自组装笼状颗粒 SAGE 的设计,该颗粒由两个卷曲螺旋肽基序、一个异二聚体和一个同三聚体设计而成。两种肽都含有可以通过二硫键连接的半胱氨酸残基,因此三聚体形成六边形网络的顶点,二聚体作为其边缘(图 2a)。这些成分非常灵活,可以形成直径为100纳米(图2b-f)最近,Woolfson 的研究小组[36]提出了一种新型肽系统,通过在两个二级结构元素之间放置“二硫键销”,可以形成纳米颗粒或多孔片。他们使用 GSGSG 序列连接两个自组装卷曲螺旋 3 七肽构建块:同型二聚体 (CC-Di) 和同型三聚体 (CC-Tri3)(图 2g、h)。销钉的位置对所得超分子组装体的拓扑结构有重大影响。近端连接的二硫键产生封闭的球形物体,其直径为~100纳米,而远端连接的二硫键则形成片状组装。


蔡氏研究组[37,38]报道了 1:1 α/大号-磺酰基-γ-AA 杂化肽,显示出明确的氢键右旋螺旋。此外,晶体堆积表明氢键 1D 结晶肽骨架 (HPF) 由头尾分子间和分子内氢键保持。通过引入简单的共价接头可以形成二聚体折叠。通过固定共价酰胺键,二聚体表现出拉链状三级结构 (图 3a通过广泛的分子间氢键,可以形成二维超分子网络,如图所示图 3b,然后将其组装成更高有序的三维多孔框架。

最近,Nguyen 的团队[39]利用疏水性π堆积残基修饰的稳定α-螺旋结构,构建了一个功能性多孔肽框架UIC-1(图 3c)。α-螺旋二级结构提供了许多独特的位置,可通过侧链的规则七肽排列进行调整(图 3d圆二色谱图显示UIC-1折叠成α螺旋结构(图 3e,fUIC-1的晶体结构显示了其大型矩形无限通道的晶格(图3g)。由于它基于较长的肽(九个氨基酸),因此还可以更合理地改变它以引入新的功能基团,同时保留一般的框架结构。最重要的是,UIC-1 有许多位点来优化孔功能,并能同时容忍多种功能变化。此外,UIC-1、UIC-1-B5M(第五个残基突变为蛋氨酸)、UIC-1-B7M(第七个残基突变为蛋氨酸)和 UIC-1-B5D(第五个残基突变为天冬氨酸)晶体对 MeCN 中的尼罗红表现出不同的吸附能力,表明 UIC-1 晶体的结构可以通过调节来获得对客体分子的优异的吸附性能。


金属肽骨架 (MPF)


MOF是一种多孔有机-无机杂化晶体材料,具有较高的比表面积和孔隙率[69,70],在光学、气体储存与分离、对映体分离、催化、化学传感、药物输送等领域展现出巨大的潜力。MPFs是新一代的MOFs,多肽的生物相容性使得MPFs能够减少对生态环境的不利影响。与其他MOFs相比,MPFs具有前所未有的结构柔韧性,能对环境的变化表现出不同的响应。当溶剂客体除去后,刚性MPFs没有弹性变形,而柔性MPFs则表现出自适应的孔隙率。多肽配体的手性以及其所含的多种功能基团使得MPFs具有广阔的应用前景[71]。


多肽与金属离子有多种配位方式:氨基-N原子可以通过与羧基-O原子螯合与金属离子配位[40,51,72–76]或单齿形式[46,75,77,78]除了N,O-螯合方式外,羧基-O原子还可以通过单齿方式与金属离子配位[40,46,73–75,77–79]或 syn-syn 桥接[40,80]此外,氨基酸中的特定功能基团也可以参与与金属离子的配位,如His分子中的咪唑基-N原子也可以与金属离子以单齿配位[76,77]或与氨基-N原子和亚氨基-N原子螯合[45,46,76]合理设计多肽的氨基酸序列可以特意为金属离子提供结合位点,如Asp、Glu可以提供较多的O原子结合位点,His可以提供较多的N原子结合位点,在氨基酸中引入吡啶基也可以将金属离子配位到吡啶基-N原子上[47],这是金属离子的常见配位点[47,50]。
不同的金属离子与同一种多肽结合,会形成不同的结构和性质。Gly-Asp与Zn 2+配位形成二维MPF,其中Zn 2+为五配位[40]该二肽将四个Zn 2+通过N、O螯合与Gly基团连接,并与Asp基团上的羧基-O原子单齿结合。与Zn 2+相比,Co2+多了一个金属结合位点。在Co(Gly-Asp)中,Co 2+为六配位。值得注意的是,Co2+除了与N、O螯合,与羧基-O原子单齿结合外,还与Asp基团上的两个羰基-O原子螯合,形成独特的七元环。


MOF 孔隙度的适应性可以通过金属配位几何形状和连接体的自由度来决定[81]MPF可以根据肽侧链的性质来显示结构的坚固性或灵活性[71]. Zn(Gly-Thr) 2由配位形成锌2+而Gly-Thr具有典型的刚性多孔结构(图 4a, b)[41]每个Zn 2+通过N、O螯合,与另外两个二肽的羧基-O原子单齿结合,与两个二肽配位,形成扭曲的八面体构型。Thr侧链上的羟基可以加强与氨基的氢键相互作用,在层内和层间形成氢键网络,有效提高三维结构的协同作用和稳定性。抽空溶剂后,Zn(Gly-Thr) 2仍保持其结晶性和孔隙率,并对CO 2 /CH 4表现出吸附选择性。此外,作者合成了厚度为0.67 纳米通过声机械剥离块状宏观晶体(图 4c)。


相反,Zn(Gly-Ala) 2没有羟基,因此没有额外的氢键[81]每个Zn 2+单齿化合物与两个二肽的氨基-N原子和另外两个二肽的羧基-O原子形成四面体构型(图4d-h)。抽空溶剂后,Zn(Gly-Ala) 2的孔结构塌陷闭合,结晶度和孔隙率大幅降低。但当与 CO 2或 CH 3 OH 等极性分子接触时,Zn(Gly-Ala) 2会逐渐恢复原有的多孔结构。二肽的低能扭转控制甲基的位置,从而产生自适应的孔隙率。在基于三肽的 MPF 中也观察到了与 MPF 类似的“海绵状行为”[45,46]对于 Zn(Gly-Gly-His) (图4i-k)[46],每个 Zn 2+都是单齿化合物,与四个三肽连接通过一个氨基-N原子、一个羧基-N原子和两个吡啶基-N原子形成四面体配位。在一定的溶剂条件下,Zn(Gly-Gly-His)能化学引发多肽构象变化,形成9种不同的晶体结构,包括8种溶剂化晶体和1种塌陷晶体。Zn(Gly-Gly-His)可通过蛋白质的单键旋转重新调整孔形和非共价键模式,实现对小分子客体吸附的调控。


肽基多孔材料的应用


几乎无限的序列可能性使得肽具有广阔的发展前景。这里,我们将总结用于吸附、分离、催化、储能和药物递送的肽基多孔材料的最新进展,其中一些肽可以在表 2。


分离


研究发现,肽基多孔材料对不同物质的吸附能力不同,进而具有通过吸附分离不同物质的潜力。研究人员已经对气体吸附和分离进行了研究[29,41,53,54,59,77,82]以及手性对映体的分离[47,52,72]。


在气体分离方面,前期研究已经证明了二肽晶体对Xe、Ar、N 2、O 2、CO 2、NH 4和H 2等气体的吸附性能 [29,53,54,59,82].IV和VI被认为是吸附H2的理想材料 [82]二肽 VA、AV、VV、AI、IA、VI、IV 和 LS 均具有将 CO2从N2 中分离的能力 [56]此外,AV、VA和IV也表现出对CO2的优先吸附,而对NH4的优先吸附 [56]. 阿方索等人。[54]有报道称,四种疏水二肽VI,IA,IV,VV晶体粉末可以按照Ar,O 2,N 2的顺序进行吸附,从而表现出Ar/O 2选择性。
在51°C和接近真空的条件下,VI的Ar/O 2选择性达到1:30,这是无银吸附剂中测得的最高值。此外,由于尺寸排斥效应,AA晶体具有更高的O 2 /N 2选择性(一个(O 2 /N 2 ) > 124) 比其他材料[53]因此AA单晶膜有望作为选择性渗透材料的工程应用。


由于具有两个疏水侧链的二肽结构仅限于结合蛋白质残基,因此其作为吸附剂的全部潜力仍未得到充分开发。Görbitz 和他的同事[57]尝试添加非蛋白质氨基酸大号-氨基丁酸(ABU,乙基侧链)和大号-2-氨基戊酸(大号-正缬氨酸、Nva、n-丙基侧链)来探索该疏水二肽家族的扩展。作者介绍了十种新的二肽结构的合成和表征。CO 2和 CH 4在195千和1 巴 (1 条)=10 5 帕)证明了新二肽的永久孔隙性。值得一提的是,Nva-Val在 50 时对 CO 2 /CH 4的选择性为1 巴。这项研究为寻找由更多不寻常的非蛋白质氨基酸组成的其他多孔二肽材料提供了思路。


由于固有的高孔隙率,MOF 在气体存储和分离方面显示出应用前景。迄今为止,各种肽连接的 MOF 都表现出了气体存储性能[41,77]主客体相互作用的不同导致MPF对气体吸附具有选择性,相比柔性MPF,刚性MPF凭借其结构坚固、适应性强等特点有望成为新一代仿生多孔材料[41]Zn(Gly-Thr) 2是一种典型的刚性MPF,具有良好的气体吸附能力和吸附选择性,该材料可以吸附CO2 /CH4 ,而对N2无孔。[41]. 吸附等温线273千结果表明 Zn(Gly-Thr) 2 MPF 对 CO2 的吸附优先于 CH4 , 最高 CO2 /CH4分离比为 14:1 (wt%:wt%)1 巴。MPF 更倾向于吸附 CO2,因为肽连接体中的极性基团(如氨基和羟基)会与 CO2 发生四极-偶极相互作用。这种相互作用使 CO2能够快速扩散到 MPF 内部的空腔中。


高孔隙率、多活性位点和手性使得MPF在特定分子的识别和某些对映体的选择性分离方面具有巨大优势[47,52,72]. 沢田等人。[47]在三肽Gly-Pro-Pro两端引入带酰胺键的3-吡啶基,改变金属配位位点,每个Ag +与两个肽的吡啶基-N配位,与金属离子配位后,肽链精确固定在PⅡ螺旋构象上,形成线性螺旋链(图 5a肽的螺旋构象和吡啶基团的π堆积共同作用,形成了一个具有两个不同尺寸的一维手性通道的三维异孔通道网络(图 5b)。较大的一个通道具有左手双螺旋骨架,吡啶基团的π堆积增强了结构的稳定性。另一个较小的通道被溶剂和阴离子紧密填充。较大的通道直径为2.2纳米,这使得外消旋化合物 1,1'-双-2-萘酚能够实现手性识别。由于外消旋化合物比纳米通道小得多,肽通道内表面的性质可能是手性分辨的原因。此外,MPF 还被证明适用于生物低聚物的分子识别(图 5c)。


甲基苯丙胺 (MA) 和麻黄碱 (EP) 是两种广泛用于娱乐和治疗药物的手性极性药物。Cu(GHG) MPF 已用于这两种药物的对映体分离(图5d-f)[52]. 三肽 Gly-大号-His-Gly (GHG)通过甘氨酸的μ2-羧酸桥与Cu 2+相互连接形成四螺旋链,进而构成一维通道。简单地将Cu(GHG)与两种药物的外消旋混合物混合即可表现出明显的分辨效果。(+)-MA和(+)-EP在4和6℃时分别显示出30%±3%和37%±3%的吸附2 小时。而相应的异构体几乎在同一时间内不被吸附,氢键能的差异导致对映体选择性吸附,(+)-对映体会与MPF形成更短的氢键,从而具有更高的键能。基于此,作者进一步以MPF为固相萃取柱固定相,对(±)-EP外消旋混合物进行萃取分离(图 5e)该系统可以从等摩尔对映体混合物中提取出 54% ± 2% (+)-EP,4 分钟(图 5f)。


催化


天然酶广泛存在于生物体内,具有极高的效率和选择性,随着对天然酶研究的深入,人工设计的肽基催化剂也面临机遇和挑战。通过设计简单的肽并调控其自组装,我们可以获得一系列具有有序多孔结构的纳米晶体,这些纳米晶体可以为催化提供许多活性位点,是一种环境友好的高效生物催化剂[42]。


陈等人。[42]受到碳酸酐酶活性位点结构的启发,以环状二组氨酸(cyclo-HH)为构建块,与碘化锌一起,制备出具有水解活性的环-HH-ZnI 2纳米线。纳米线的超结构由许多纳米颗粒组成,含有丰富的催化活性位点(图 6a)对酯类底物的水解具有较高的活性,例如页-硝基苯乙酸酯(页NPA),其有效水解活性为93.21(mol L -1 ) -1  s -1。它明显高于细胞周期蛋白-HH和单晶环-HH-ZnI 2。同时,环-HH-ZnI 2纳米线令人惊讶地稳定,并且可重复使用性极佳,因此这种简单的超分子策略为最先进的生物催化剂提供了一种有吸引力的新替代方案。


刘等人。[43]报道了一种具有分级螺旋结构的金属肽组装体 (MPA),通过 Fc-FF 与二价铜离子 (Cu 2+ ) 的配位而形成。MPA 颗粒由螺旋组织的纳米纤维组成,这些纳米纤维可以与对数螺旋相关联。这些 MPA 是分层且多孔的,富含 Fc 和 Cu 2+该复合物具有极好的亲和性,能够在脱色反应中表现出远高于天然漆酶的催化活性。此外,通过控制温度和对映体过量(ee)可以合成一系列具有层状结构的MPA。具有较高ee值的肽对映体会自组装成高度复杂有序的结构,与具有较低ee值的肽组装的结构相比,这些结构具有更高的表面积和孔隙率,从而增强催化活性。这些结果为手性在引导生物分子自组装成高度有序、多孔的功能材料方面的重要作用提供了新的见解(图 6b)。


能源储存和发电


超级电容器因其高功率密度和相对较大的能量密度而成为有前途的储能设备。肽基多孔材料已被证明具有良好的超级电容器性能[84]。杯子等人[84]发现肽纳米管阵列显著提高了超级电容器电极的电容。肽纳米管修饰电极电容的增加归因于修饰碳电极上可用的电极表面积的增加。结果提示影响超级电容器电容的关键因素是肽纳米管纳米通道的湿表面积。


肽纳米管或多孔晶体也具有良好的压电性[66,85–87]和铁电性[88,89]。2016年,阮德等人。[66]在肽自组装过程中通过施加电场 (EF) 实现极化控制(图 7a, b),从而形成垂直排列的微棒阵列(图7c–f)在两个相反方向上获得了均匀的极化,并且有效压电常数dFF阵列材料中的33种达到17.9pmV −1,这进一步证明了开路电压1.4 伏功率密度3.3纳瓦·厘米−2可以使用基于 FF 肽的生成器生成(图 7g、h由具有可控压电特性的肽驱动的设备为生物医学应用提供了可再生和生物相容性的能源,并为与人体组织兼容的下一代多功能电子产品打开了大门。


近日,陈等人。[44]报道了 Car_Zn 肽-MOF 的大型客体特异性机电响应,该响应由五种不同的客体分子组装而成,即异丙醇 (IPA)、二甲基甲酰胺 (DMF)、丙酮、乙腈 (MeCN) 和乙醇 (EtOH)。Car_Zn·(MeCN) MOF 结晶为最低对称系统(空间群磷1) 具有不受约束的极化,从而产生重要的压电响应。研究发现,通过控制通道中客体分子的方向可以实现显着的压电响应(图 7i,j).使用Car_Zn·(MeCN)晶体作为有源元件,该发生器可以产生稳定、强劲的开路电压1.4 伏在外力作用下二十五 否频率为0.1赫兹。


药物输送


肽自组装形成的多孔结晶材料可作为药物递送的载体,具有良好的生物相容性和较高的化学多样性,可以设计合适的货物亲和力和靶向能力,实现高效的药物递送。Woolfson课题组[83]报道了一种由肽自组装的纳米笼(图 8a)。纳米笼形成过程中,异质螺旋(CC-Di-AB)的两个侧链通过二硫键在溶剂暴露面上与α螺旋多肽(CC-Tri3)的三聚体连接,形成小分子配体,配体连接形成六边形晶格,晶格延伸形成球形纳米笼。这些自组装的肽分子纳米笼可以被细胞摄取,同时纳米笼的中心还可以容纳其他有机分子,包括药物分子。因此,此类纳米笼可以作为药物载体,将药物分子递送到细胞中。通过修饰肽分子上带电残基,如带正电的赖氨酸(Lys)残基或带负电的谷氨酸(Glu)残基,可以改变纳米笼表面的电荷分布,这将影响纳米笼和细胞之间的相互作用。


这大号-二苯丙氨酸可以自组装成微管(FF-MT),可作为药物输送的潜在载体[64]. 组装过程如图所示图 8b其中六个 FF 单元形成一个环状六聚体,随后六聚体堆叠形成窄通道,其范德华直径约为10埃。狭窄的通道以六边形堆积形式自结合,形成薄片。薄片的缠绕形成纳米级管,这些管最终可以在更大的尺度上自组装,形成微尺度管状排列束。Alves等人。[64]使用肽微管运输模型亲水化合物罗丹明 B (RhB)。显微图像显示货物均匀分布在 FF-MT 中(图 8c), 和体外实验表明,FF-MT 中 RhB 的释放遵循一级动力学,这可以调节负载的释放(图 8d),且毒性较低。


布拉科等人。[58]最近,研究人员探索了多孔二肽晶体作为挥发性药物容器的应用。他们研究了二肽 VA、AI、VV、IV 和 IA 从气相中可逆地吸附一系列用作麻醉剂的挥发性氟化醚。这些二肽晶体的尺寸分布约为30纳米,适合血液运输和细胞内化。因此,二肽晶体有可能用于药物运输活吸附等温线表明,VA、AI、VV(孔径大于4埃)能够有效吸附客体,而IA和IV(孔径约为3.5埃)排除麻醉药。273千和 80–100 托 (1 托=133.3帕斯卡)最大吸附值达到170–200 毫摩尔-1,相当于超过 20% 的重量。吸附热在 35–50千焦耳mol −1,这与已报道的多孔材料中吸附麻醉剂的最高值相当[90]。


总结与展望


肽基多孔材料是一种极具前景的新型多孔材料,具有高对映选择性、海绵行为、可定制性和生物相容性等特点。二肽、寡肽和多肽以及MPF很容易组装成多孔结构。基于分子自组装的研究使得在设计阶段预测肽的结构和功能变得容易。已经开发出各种模拟辅助工具来设计肽序列。pH、温度和其他外部环境的调节也可以控制肽基多孔材料的结构和功能。孔隙内部可以设计功能化的侧链,为肽基多孔材料的多功能应用奠定了基础。


由于长肽的复杂性以及缺乏有效的合成方法,目前报道的肽基多孔材料大多是由简单的短肽组装而成,设计出具有与生物大分子类似的结构多功能性的高功能肽基多孔材料仍是科研人员的难题。近期,Nguyen等人。[39]开发了一种非共价策略将较长的肽组装到晶体框架中,为利用较长的肽合成肽基多孔材料提供了一种可行的策略。然而,还需要更多的合成策略,这可以启发研究人员合成复杂且功能性的多孔材料。


此外,近年来关于肽基多孔材料高度有序化的研究也越来越多,但这些研究大多是基于偶然的发现,设计出具有预期孔结构和功能的肽多孔材料仍然十分困难。近来,随着人工智能的发展,肽多孔材料的计算设计将成为可能,使得肽基多孔材料的设计和合成达到前所未有的精度和复杂度,赋予材料独特的功能。


此外,肽基多孔材料在生物催化、气体吸附分离、对映体选择性分离、药物递送等领域显示出了巨大的应用潜力,但要真正实现实际应用还需要付出更多的努力。首先,由于肽基多孔材料本身的手性和可定制性,它有望作为固相实现传统方法无法实现的高效对映体色谱分离。其次,目前大多数关于肽基多孔材料用于催化的报道仍然表现出相对较低的选择性。因此,通过合理设计肽基多孔材料中的肽序列或进行化学修饰,有望获得高效、高选择性的生物催化剂。第三,到目前为止,目前关于肽基多孔材料在生物医学中的应用报道较少,未来应致力于设计具有海绵行为、刺激响应性和低毒性的生物相容性材料,这些材料有望用于药物输送和癌症治疗。


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