頂刊動態丨Nature子刊/PNAS/JACS/Angewandte等生物材料學術進展匯總（4.27-5.5）
1、Nature Nanotechnology：高速原子力顯微鏡有助于理解核孔復合體運輸機理
圖1 核孔對大分子物質的選擇性運輸機理
核孔復合體（NPCs）控制著大分子在細胞核和細胞質之間的雙向運輸，這個過程需要無定型的核孔蛋白的參與（Nups），但是NPCs為什么具有選擇透過性還無法得知。
最近瑞士巴塞爾大學的Yusuke Sakiyama等人用高速原子力顯微鏡（HS-AFM）研究了 Nups在納米尺寸上的時空運動。他們觀察到了核孔周圍的八個Nups，這些Nups一頭被固定在核孔（與細胞質連接一面）的四周，而剩下的多肽鏈可以在孔內運動，這些多肽鏈形成一個“篩子”（篩子的形狀不是固定的），運動快的小分子可以很容易通過這個篩子，運動慢的大分子則很難通過，而載有“貨物”的大分子因為能與多肽鏈結合也能通過核孔。該實驗第一次直接證實Nups的阻礙作用，也證明HS-AFM在研究高速運動并且無定型系統方面的作用。
2、Angewandte：一種非血紅素鐵混雜酶的發現
圖2 AmbO5能催化的鹵代反應
蛋白質基催化劑是一種很有前景的能讓鹵原子取代sp3雜化的碳原子上氫原子的催化劑，而鹵化酶WelO5就是一種能讓吲哚類生物堿上的sp3雜化碳原子發生鹵代反應的酶，但是它只能催化兩個反應。
最近美國克茲堡大學的研究人員發現AmbO5（與WelO5是同族鹵代酶，且它們有79%相同的氨基酸序列）能使7種（包含WelO5能催化的兩種）官能團、碳骨架和構象都不同物質發生鹵代反應。他們認為AmbO5和WelO5是由同一種蛋白質演化來的，并且通過將AmbO5和WelO5組合和對修改WelO5上的18個氨基酸序列再進行催化實驗初步證實他們的猜測。
3、Angewandte：DNA損傷修復機理
圖3 AZT和T-AU在不同光照下的相互轉換
紫外線可以使DNA鏈上相鄰的嘧啶以共價鍵連成二聚體（主要包括環丁烷嘧啶二聚體（CPD）和（6-4）光產物（6-4PP）），從而使DNA受到損傷。光修復酶能利用陽光來修復這些受損的DNA，光修復酶由兩部分組成，第一部分吸收光能并將能量轉移到第二部分，第二部分則將電子轉移到CPD上使環丁烷分裂從而修復DNA。但是光修復酶修復6-4PP的機理還不是很清楚。
最近，西班牙的科學家利用CPD的類似物AZT來模擬光修復酶修復6-4PP的過程。AZT由T-AU在光照條件下發生環加成反應得到，而AZT在光修復酶和光的作用下又生成T-AU。該實驗首次證明光修復酶在光的誘導下可以將一個電子注入到CPD類似物中引起環丁烷的分裂從而修復核鹼基，該發現有助于理解6-4PP光修復酶的修復機理。
4、JACS：SiO2納米花粉增強粘附助力長期抑菌
圖4 （a）制備納米花粉的示意圖；（b）裝有溶菌酶的花粉粘附在細菌表面
花粉顆粒表面很粗糙，最外層長有很多“釘子”，這些釘子有助于花粉粘附在昆蟲的皮毛上，從而在昆蟲的幫助下完成授粉。
受到花粉的啟發，澳洲昆士蘭大學的研究人員用簡單的方法制備了SiO2納米“花粉”，這些花粉的直徑大約為257nm，表面形貌與真實的花粉相似，因此很容易粘附在細菌表面的纖毛上。他們在花粉表面的小孔里裝上溶菌酶，當載有溶菌酶的花粉粘附在細菌表面后，溶菌酶被緩慢的釋放出來。于是花粉不僅提高了溶菌酶的利用效率，而且還延長了它的抑菌周期。
文獻鏈接：Silica Nano-Pollens Enhance Adhesion for Long-Term Bacterial Inhibition
5、Angewandte：鐵基催化劑選擇性氧化甾體底物上的碳原子
圖5 合成的四種催化劑
選擇性氧化烷基上的C-H鍵在有機合成中是很重要的一類反應，但是能被氧化的往往是比較活躍的C-H鍵，而大部分的C-H鍵是不能被氧化的。
最近西班牙的研究人員合成了四種鐵基復合物（其中兩種跟另外兩種分別是手性對稱的），它們不僅能選擇性氧化甾體底物上的烷基C-H鍵，而且手性不同時它們對不同C-H鍵的氧化能力改變，這是首次在合成的催化劑上觀察到這種現象。
6、Angewandte：微膠囊提高大腸桿菌代謝產物中苯乙烯的含量
圖6 苯乙烯在微膠囊里富集
利用微生物來合成一些重要的小分子有機物是綠色合成的重要組成部分，這些小分子一般是微生物的代謝產物，它們對微生物有一定的毒性，超過一定的濃度會使微生物死亡，因此這種方法獲得的小分子產量是有限的。
最近，哈佛大學的研究人員發現一些兩親性維生素E衍生物在培養液中能形成微膠囊，（能生成苯乙烯的）催化劑和反應物在微膠囊里富集，并且生成的苯乙烯也留在微膠囊中，因此降低了苯乙烯對微生物的毒性，使得苯乙烯的產量提高了幾倍。這種技術在生物合成小分子方面很有前景。
7、ACS Nano：用氧化石墨烯探測酶的活性以及篩選抑制劑
圖7 氧化石墨烯熒光強度改變的機理
老年癡呆癥（AD）一般被認為與乙酰膽堿酯酶（AChE）催化乙酰膽堿（ATCh）生成硫代膽堿和乙酸的反應有關。抑制AChE的活性是一種延緩AD發病的有效方法，但是目前還沒有探測AChE活性的簡便方法，因此也很難發現能抑制AChE活性的物質。
最近，韓國漢陽大學的研究人員用多糖來非共價鍵地修飾氧化石墨烯（PhO-dex-GO），PhO-dex-GO能在多種溶液中保持分散狀態，它的熒光強度隨乙酸（反應產物）的濃度增加而增加，而與AChE和ATCh的濃度無關。因此通過PhO-dex-GO的熒光強度能很容易確定AChE的活性，從而能更加方便的發現對抑制AChE活性起抑制作用的物質。
8、Angewandte：注油多孔表面能防污垢和殺死溶液中的病原體
圖8 SLIPS表面的防污垢效果
潤滑液體注入多孔表面（SLIPS）是將油注入多孔表面形成的一種自清潔表面，利用SLIPS來防污垢是最近發展起來的一種防污垢方法，但是這種方法不能殺死表面附近溶液里的微生物。
最近，美國威斯康星大學的Uttam Manna等人進一步發展了SLIPS，他們先往多孔的聚合物多層膜注入一種抗微生物的藥物（triclosan），然后再注入硅酮。因為triclosan不影響硅酮的性質，所以這種表面不僅能夠防污垢，而且由于triclosan能緩慢釋放到溶液中，它還能殺死表面附近溶液的微生物。由于可以用不同的油和抗微生物藥物做成這種表面，因此這種表面有很廣泛的應用前景。
9、Angewandte：確定對生物合成玫瑰黃色素起關鍵作用的酶
維生素類似物是新型抗生素的來源，玫瑰黃色素（RoF）是維生素B2的類似物，從B2合成RoF的過程中會生成幾種中間產物，AF就是其中的一種，但是究竟是什么酶參與AF的合成還不清楚。
最近德國的研究人員從參與完整RoF合成的基因片段入手，確定了某種細菌上的BN159_7989基因（RosB）對B2轉換為AF起主要作用。RosB在化學合成方面有很大的作用，通過對RosB的改性，能使多環芳烴上特定位置的甲基被氨基取代。
文獻鏈接：Identification of the Key Enzyme of Roseoflavin Biosynthesis
10、Nano Letters：厭氧細菌在腫瘤成像和治療方面的應用
圖10 左圖為用第二種方法治療腫瘤的效果，右圖為一般治療的效果
腫瘤是當代導致死亡的主要因素，腫瘤周圍一般會形成一個缺氧和低PH值的區域，這個區域的存在阻礙了腫瘤的治療。但是這種環境卻適合厭氧細菌的生長，這為治療癌癥提供了一個新的思路。
最近臺灣國立成功大學的Cheng-Hung Luo等人研究了兩種利用厭氧細菌抗癌的方法。第一種是將功能納米粒子（上轉換材料和金納米棒）與厭氧細菌結合然后注入體內；第二種是先將厭氧細菌的孢子注入體內，然后再將與抗體結合的納米粒子注入體內。因為厭氧細菌只能在缺氧的條件下存活，所以它們會在腫瘤內富集。他們先用上轉換材料證實了細菌會在腫瘤內富集，然后利用近紅外光照射金納米棒使其發熱殺死癌細胞。總體上來說，第二種方法的效果更好。這種方法有望用來治療多種癌細胞。
文獻鏈接：Bacteria-mediated hypoxia-specific delivery of nanoparticles for tumors imaging and therapy
11、Nature Communications：用柔性凝膠電極制備的生物信號放大器
圖11 由碳納米管凝膠復合材料和有機晶體管組成的放大系統
體內電子監控系統有助于我們理解生命體內的生物活動，是很有前途的下一代醫學電子設備。但是目前使用的設備在體內的穩定性不好，且對生物信號的靈敏度不高。
最近日本東京大學的Tsuyoshi Sekitani等人將多壁碳納米管分散在聚輪烷凝膠上制備了一種生物相容性良好和導電率高的凝膠復合材料。這種凝膠復合材料具有100?mS?cm?2的導納，甚至在低頻范圍也保持高導納。將這種復合材料做成電極注入皮下組織4周時，產生的異物反應比常用的的金屬電極小的多。這種電極能夠在不均勻的心臟表面全部鋪展開來，將它與有機晶體管信號放大裝置連接時，可以將小鼠心臟產生的1mV電信號放大200倍。
文獻鏈接：Ultraflexible organic amplifier with biocompatible gel electrodes
12、Angewandte:B類G-蛋白偶聯受體（GPCR）的光控變構
圖12 PhotoETP的作用示意圖
變構調節是指小分子化合物與酶蛋白分子活性中心以外的某一部位結合，引起酶蛋白分子構像變化從而改變酶的活性。
近日德國科學家合成了一種正別構調節物（PhotoETP），這種化合物可以分別用440和330nm的光照射來得到順式（cis)和反式(trans)構象。trans-PhotoETP可以通過與G-蛋白偶聯受體結合促進細胞間Ca2+的運動和胰島素的分泌，而cis-PhotoETP卻沒有這個作用，并且PhotoETP對細胞的影響很小，PhotoETP有助于理解別構現象和B類GPCR的信號傳輸。
文獻鏈接：Allosteric Optical Control of a Class B G-Protein-Coupled Receptor
13、Advanced Functional Materials：仿生貽貝的治療心肌梗塞的心臟補丁
圖13 補丁的顯微結構，右圖中的小點為Ppy
目前治療心肌梗塞的主要方法是修復壞死的心肌層，修復的方法是直接將相關的細胞注入受損部位，但是這些細胞不能固定在受損部位，很容易轉移到心室腔或者血管里，因此治療效果不明顯。一種治療的新思路是：將心肌細胞吸附在高分子骨架（有類似心肌層的結構和功能）上做成補丁“貼在”受損部位，從而使心臟功能恢復。
最近南方醫科大學的Leyu Wang等利用從貽貝腿中提取出來的粘性很強的蛋白質制備了一種多巴胺，將這種多巴胺和一些助劑制成高分子骨架，再加入心肌細胞得到心臟補丁。這種補丁有導電性、良好的生物相容性、與心肌層相似的楊氏模量，補丁里面的Ppy助劑還能融入心肌細胞中促進某些蛋白的產生。將這種補丁貼到小鼠心肌梗塞的部位，受損的部位變小了，且心臟的功能得到改善。這種多巴胺很有希望作為修復梗塞組織的骨架。
14、Advanced Functional Materials：治療外傷性腦損傷的氧反應性聚合物
圖14 ORP的合成方法和結構
外傷性腦損傷是由腦部受到外力造成的，外力直接導致神經元受損，過一段時間后，活性氧簇（ROS）在受損部位聚集，造成繼發性腦損傷。治療繼發性腦損傷的主要方法是清除ROS。
最近美國華盛頓大學的Julia Xu等人制備了一種包括治療和成像功能的納米氧反應性聚合物（ORP）。這種聚合物里面包含甘醇（提高生物相容性和循環壽命）、Gd（提供成像襯度）和硫醚（清除ROS），將ORP注入體內后，它們在腦損傷部位富集。ORP能有效的減少受損部位及附近的ROS，從而減緩繼發性腦損傷引起的神經元變性。ORP有望用來提高腦損傷的治療效果。
文獻鏈接：Theranostic Oxygen Reactive Polymers for Treatment of Traumatic Brain Injury
15、PNAS：離子在膠體晶體自愈行為中的作用
圖15 膠體粒子的結構示意圖。藍色的為膠體粒子，外面紅色的為被束縛的反離子層，小紅點為游離的反離子
雜質經常在晶體中形成點缺陷甚至阻礙結晶，但是對膠體晶體來說卻不是這樣。膠體晶體是指直徑和外形相同的或稱具有單分散度的球形膠體顆粒（直徑一般在100nm到1000nm）在水這類液體中按類似于原子晶體結構排列方式排列而成的一種晶體。在一定條件下，如果直徑不同的膠體粒子混合，直徑大的粒子會收縮從而與小的粒子一起結晶（這就是所謂的“自愈”吧）。
最近瑞士科學家Andrea Scotti等人通過實驗提出了大顆粒收縮的機理。他們用聚N-異丙基丙烯酰胺（pNIPAM）制備了兩種半徑不同的粒子（分別為180和135nm），將這些粒子經過充分溶脹，單獨或按不同比例混合懸浮在溶液中。經過一系列實驗，他們提出了下面的機理來解釋大顆粒收縮的現象：pNIPAM表面有可以電離的官能團，電離出來的反離子被束縛在顆粒的外表面，因為表面內外的粒子濃度不同，對顆粒產生滲透壓，當滲透壓大于顆粒的楊氏模量時顆粒就會收縮。當顆粒的濃度大于一定值時，顆粒會相互靠近，使得反離子的濃度增加，會進一步壓縮顆粒，但是由于大顆粒的楊氏模量更小，因此壓縮的更為明顯。
文獻鏈接：The role of ions in the self-healing behavior of soft particle suspensions
本文由材料人生物材料學習小組CZM供稿，材料牛編輯整理。
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