組氨酸功能肽的自組裝策略及其多功能應用

2023-08-05

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組氨酸是一種天然存在的必需胺基酸並且普遍存在於蛋白質的活性部位。受組氨酸的特徵啟發，組氨酸功能化的肽構建塊及其自組裝結構已經被合成、表徵並用於各種技術應用中。

基於此，來自的Ehud Gazit團隊首次提出一個設計策略的全面概述，該設計策略用於將組氨酸功能化的肽的超分子自組裝設計成具有有趣應用的納米和微米結構（圖1），本文主要介紹了組氨酸在自然系統中的功能、組氨酸功能化肽的自組裝策略及其在生物醫學中的應用。相關研究成果以「Histidine as a key modulator of moleCular self-assembly: Peptide-based supramolecular materials inspired by biological systems」為題於2022年8月28日發表在《Mater. Today》上。

1.組氨酸在自然系統中的作用

作者首先介紹了組氨酸的基本性質，主要是生物化學和生理特性。與其他胺基酸相比，組氨酸的一個獨特的結構特徵是它的側鏈帶有一個鹼性胺基酸咪唑團體。因此，組氨醯在一系列生物系統中被用作過渡金屬離子的配體，包括金屬酶和硬海洋組織，並作為質子轉移機制的關鍵載體。

2.組氨酸功能化肽的自組裝策略

在肽或蛋白質的自組裝中，分子間相互作用例如氫鍵、芳香堆積，疏水效應、和來自組裝環境的「力」是重要的，而金屬配位和pH刺激是含組氨酸肽最值得注意的自組裝策略。

組氨酸的側基由咪唑環組成，其質子化形式的pKa約為6。因此，咪唑基團在中性pH (7.4)下不帶電荷，而在pH值低於6時，大部分組氨酸殘基被質子化咪唑離子使該部分帶正電荷(圖3)。由於這種獨特的性質，含組氨酸的肽也可以通過非共價的形成來組裝分子相互作用，比如疏水相互作用, 氫鍵和響應外部刺激的芳香堆積。

此外，組氨酸可以作為配體與金屬陽離子如Zn(ii)、Cu(ii)和Ni(ii)等形成配位鍵（圖4）。結合配體的數量，配位鍵的配置，和金屬配體結合親和力都是由所涉及的金屬離子決定的，這些因素會影響所得結構的大小、形狀和物理化學特性。

3.組氨酸的功能化肽組件

組氨酸功能化肽具有優異的自組裝能力，在生物醫學和生物納米技術領域顯示出巨大的應用潛力。因此，作者總結了這些多功能仿生材料自組裝的最新進展，並描述了它們在催化、柔性多孔材料組氨酸標籤修飾、螢光生物成像、堅韌、自癒合軟材料、藥物遞送和治療(圖5)。

綜上，本文總結了正在進行的生物擬態材料科學研究，涉及將組氨酸殘基結合到肽骨架中，以產生具有可定製的物理、化學和生物活性的有組織的功能性超分子生物材料生物學特性。利用從生命系統中獲得的見解，研究人員成功地構建了一系列生物啟發的肽組裝超分子材料，這些材料在催化、柔性多孔材料組氨酸標記、螢光生物成像、藥物遞送和治療學。

儘管到目前為止已經取得了實質性的進展，但是組氨酸功能化的肽超分子組裝的全部潛力還有待開發。因此，許多努力被投入到研究天然來源的富含組氨酸的蛋白質的自組裝中，允許構建功能性但複雜且昂貴的材料。基於組氨酸功能化肽的人工超分子材料有可能有助於一整套可持續和可降解的材料、可配置的傳感器、精確遞送的藥物載體和治療劑以及創新的獨特模式（圖6）。