DNA-多肽复合分子的设计、组装与应用

王子瑄; 王跃飞; 齐崴; 苏荣欣; 何志敏

doi:10.7536/PC191020

化学进展 ›› 2020, Vol. 32 ›› Issue (6) :687-697 DOI: 10.7536/PC191020

综述与评论

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DNA-多肽复合分子的设计、组装与应用

王子瑄 ¹ ,
王跃飞 ¹^,²^,^** ,
齐崴 ¹^,²^,³ ,
苏荣欣 ¹^,²^,³ ,
何志敏 ¹

作者信息 +

Design, Self-Assembly and Application of DNA-Peptide Hybrid Molecules

Zixuan Wang ¹ ,
Yuefei Wang ¹^,²^,^** ,
Wei Qi ¹^,²^,³ ,
Rongxin Su ¹^,²^,³ ,
Zhimin He ¹

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摘要

DNA-多肽复合分子作为一类新型的自组装分子受到研究人员的广泛关注。DNA分子具有可编程性、高特异性、功能多样等优点,多肽分子是一类重要的生物小分子,能够通过分子自组装形成具有不同结构的纳米材料,因此,将二者通过共价交联,可以获得具有多级自组装行为的DNA-多肽复合分子,能够实现两类重要生物分子功能的集成优化,合成具有不同结构与功能的超分子自组装材料。此外,通过酶催化、DNA杂化、DNA链置换反应等,还可实现对多肽-DNA复合分子自组装行为的动态调控,进而模拟生命系统中复杂动态的自组装结构,强化相关材料在生物、化学、材料等领域的应用。本文讨论了DNA-多肽复合分子的设计、组装与应用方面的最新进展,最后基于目前DNA-多肽复合分子存在的一些问题对DNA-多肽复合分子的研究做了展望。

Abstract

As a new kind of self-assembled molecules, DNA-peptide hybrid molecules have attracted great interests. DNA has the advantages of programmability, high specificity and versatility. Peptides are a kind of important biological small molecules, which can form nanomaterials with various structures through molecular self-assembly. Therefore, DNA and peptide can be cross-linked with each other to form DNA-peptide hybrid molecules with hierarchical self-assembly behavior. In this way, the integration of the functions of two important biomolecules can be realized, and the supramolecular materials with different structures and functions can be assembled. Moreover, through the combination of enzyme catalysis, DNA hybridization, and strand displacement reactions, we are able to control the dynamic self-assembly of the peptide-DNA conjugates. This allows us to mimic the complex dynamic structures existing in biological systems, which will have great potential applications in biology, chemistry and materials science. In this paper, the latest progress in the design, self-assembly and applications of DNA-polypeptide hybrid molecules are reviewed. Some problems with regard to DNA-polypeptide molecules are summarized, and the prospect of the research on DNA-polypeptide molecules is made.

Contents

1 Introduction

2 Design of DNA-peptide hybrid molecules

3 Assembly and regulation of DNA-peptide hybrid molecules

3.1 Self-assembly mechanism

3.2 Supramolecular self-assembly of DNA-polypeptide hybrid molecules

3.3 Dynamic self-assembly of DNA-amphiphilic peptide molecules

4 Applications of functional materials assembled by DNA-peptide hybrid molecules

4.1 Biomedical applications

4.2 3D bioprinting

5 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

DNA-多肽复合分子 / 自组装 / 动态调控 / 功能材料 / 生物医药

Key words

DNA-peptide molecules / self-assembly / dynamic control / functional materials / biomedical applications

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王子瑄, 王跃飞, 齐崴, 苏荣欣, 何志敏. DNA-多肽复合分子的设计、组装与应用[J]. 化学进展, 2020, 32(6): 687-697 DOI:10.7536/PC191020

Zixuan Wang, Yuefei Wang, Wei Qi, Rongxin Su, Zhimin He. Design, Self-Assembly and Application of DNA-Peptide Hybrid Molecules[J]. Progress in Chemistry, 2020, 32(6): 687-697 DOI:10.7536/PC191020

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1 引言

多肽是生物体内重要的活性物质,由多种氨基酸通过肽键按照一定的顺序结合而成。自然界中多肽分子在生物体内通过分子识别自发形成纳米组装体。借鉴生物体系的这种分子自组装现象,科学家们通过合理设计多肽序列、选择敏感性连接键、调控其自组装行为,构筑了多种形貌的纳米结构,包括纳米管、纳米纤维、纳米螺旋等,在生物医药^[1,2,3]、传感检测^[4,5,6]和光学器件^[7,8,9]等领域具有广泛的应用。

DNA能够通过分子自组装,自下而上地形成结构复杂、精细可控的自组装材料。DNA具有精确的碱基识别相互作用、序列可设计性和可编程性,以及明确的二级结构,加之目前成熟的化学固相合成和修饰技术^[10],DNA已迅速成为一种高度通用的分子模块用于构建精确、复杂、动态的纳米结构和分子网络^[11,12]。这些超分子结构可以非常精确地作为模板来调控蛋白质、无机材料和纳米颗粒的生长以及有序组装^{[13,14,15,16]}。

近年来,DNA-聚合物复合分子的设计与组装受到了研究人员的广泛关注^{[17,18,19,20,21]}。聚合物的DNA功能化可以提供材料结构和宏观性质额外的控制水平,使得构建刺激响应型材料成为可能。目前,DNA-聚合物已经被研究用于制备水凝胶和其他纳米材料、药物递送体系、发光材料和电子器件等^{[22,23,24,25,26,27,28,29]}。目前已有大量报道,利用分子间弱相互作用或者静电相互作用,调控多肽与DNA分子的共组装,用于构筑仿病毒纳米颗粒等功能材料,在生物医药^[30,31,32]、传感检测领域^[33,34]具有很好的应用特性。然而,利用共价键将多肽与DNA分子连接,设计DNA-多肽复合分子,并调控其自组装形成多级有序功能材料的研究^[18,35~39],依然相对较少,是当前超分子自组装领域的研究前沿之一。本文讨论了由DNA与多肽通过共价相连形成的复合分子的设计、组装方面的最新进展,同时还介绍了DNA-多肽复合分子在医药、组织工程等领域的应用情况(表1)。

2 DNA-多肽复合分子的设计

目前DNA与多肽分子的合成均是将较短的DNA链或者核酸连接到多肽链上。本文将DNA-多肽分子的设计分为两类:DNA链聚合物多肽的结合及DNA链与短肽的结合(如图1a所示)。聚合物多肽是指一种或几种氨基酸或其衍生物通过共价聚合反应得到的具有高分子链的均聚物或者共聚物。短肽则是由多个氨基酸通过脱水缩合形成,肽链一般低于10个氨基酸残基。DNA与聚合物多肽的结合是以多肽为骨架,DNA作侧链进行接枝。DNA不但能够作为一种修饰分子提供定位、识别等功能,而且还可作为交联剂连接多肽形成超分子网络结构。而DNA与短肽的结合,目前文献已报道的均是DNA通过交联剂链接在多肽链的末端,其中多肽链作为超分子自组装的骨架,而DNA则作为进一步结构调控的识别组件。此外,在DNA-多肽复合分子中引入功能基团还可使其具有不同的功能。功能基团可以连接在肽的一端,也可以通过互补的DNA末端连接在肽链上(如图1b所示)。

DNA与聚合物多肽的结合通常是采用开环点击铜离子催化的方法,这一方法由Chen等在2012年提出^[35],之后被广泛应用^[40]。这种方法通过开环聚合获得聚(γ-丙炔基-L-谷氨酸),使其在铜离子催化的条件下与叠氮化物-DNA反应,来得到被DNA链功能化的多肽分子(如图1c所示)。

DNA与短肽的结合方式大体上有以下几种。第一种是使用双功能交联剂(如胺和硫醇反应性交联剂SPDP)合成DNA-肽复合分子(如图1d所示)^[41]。第二种是使环辛炔修饰的寡核苷酸与叠氮基赖氨酸封端的两亲性短肽(PA)反应以形成DNA-PA复合分子(如图1e所示)^[36]。将PA引入DNA-多肽复合分子的设计中,可以利用两亲性短肽的自组装行为驱动DNA-多肽复合分子的组装。另外一种将DNA与短肽结合的方法是利用配体金属电荷转移(LMCT)将功能肽结合到DNA中而不需要化学偶联(如图1f所示)^[42]。这种转换发生在二价金属离子和半胱氨酸中的巯基之间。使用该方法所需的最小肽量与常规的化学合成法所需的最小肽量相比大大减少。

3 DNA-多肽复合分子的组装与调控

3.1 自组装原理

自组装是基本结构单元(原子、分子、纳米颗粒等)通过非共价键作用(弱相互作用),有序排列形成更高尺度结构的过程^[44]。结构单元之间的弱相互作用力(氢键、范得华力、静电力、疏水作用力、π-π堆积作用、阳离子π吸附作用等)的协同作用是自组装的驱动力。

肽是由氨基酸通过肽键连接形成的链状化合物,肽键之间的氢键以及氨基酸之间的各种弱相互作用使其具有自组装的功能。氨基酸通过肽键相互连接形成的线性序列是多肽的一级结构。肽的自组装一般基于其二级结构,即多肽链区段的有规则折叠,常见的类型是α-螺旋^[45]和β-折叠片^[46]。在棒状α-螺旋中,氨基酸自身排列成规则的螺旋构象(如图2a所示)。每个肽键的羰基氧与远在第四个氨基酸氨基上的氢形成氢键,氢键的走向几乎平行于螺旋轴。氨基酸侧链的位置均位于整个螺旋体的外侧。在β-折叠片中,肽键的平面性使多肽折叠成片,氨基酸侧链伸展在折叠片的上下两侧(如图2b所示)。此外,肽的自组装也依赖于其自身的两亲性结构^[47,48]。两亲性短肽分子与水分子相互作用时,亲水段会与水分子相临,而疏水段向内聚集(如图2c所示)。一般将亲水性肽序列与亲脂性基团结合,或者通过在多肽链末端引入疏水性和亲水性功能基团的方式来构建两亲性多肽^[49,50]。

DNA是由两条相互缠绕的链形成碱基在内侧、糖基-磷酸基骨架在外侧的双螺旋结构。在双螺旋中,两条DNA链反平行排列。两条链上的碱基以氢键互补配对^[51]。DNA这种高度可预测的沃森-克里克碱基配对规则,为复杂纳米结构的合成提供了几乎无限的可编程性。此外,通过DNA之间的杂化反应、链置换反应,还可以构建结构与功能动态可控的超分子组装体^{[12~14,18,52]}。以DNA链置换反应为例,该反应是指两个部分或完全互补的链相互杂交,置换一个或多个预杂交链的过程(如图2d所示)^[53]。链位移可以在互补的单链域(称为趾点)开始,并通过类似随机游动的分支迁移过程进行。这个机制使得组装路径的动力学控制成为可能。

因此,肽-DNA复合分子结合了多肽的生物功能性和组装特性、DNA的可编程和特异性,能够通过多种组装调控机制,获得单纯多肽或DNA分子无法形成的多级有序的超分子功能材料。

3.2 DNA-聚合物多肽复合分子的超分子自组装

不同于现存的化学交联或者物理交联,DNA具有明确的二级结构、序列可编程性和结构可设计性,因此,通过设计聚合物多肽与两种带有互补黏性末端的DNA链进行接枝,通过碱基互补配对原则即可制备超分子结构。DNA还可以被设计成不同形状的交联剂。例如,线型DNA交联剂是由两条单链部分互补的带有两个黏性末端的双链。而分枝状DNA交联剂除了带有两个起交联作用的黏性末端之外,还可以具有一个或者多个自由的黏性末端,在保证与多肽-DNA 复合分子交联形成网状结构的同时,仍有自由的黏性末端存在,可以为进一步的功能化修饰提供位点。

Li等在聚合物多肽以及不同的功能基团上接枝了带有完全互补的黏性末端的DNA链,通过碱基互补配对,将聚多肽高分子链交联起来形成三维交联网络结构,形成了聚多肽-DNA超分子复合水凝胶(如图3a所示)^[37]。

这种制备水凝胶的方法简便快捷,且成胶条件温和,可形成无色透明、可自支撑的聚多肽-DNA水凝胶。在合成了聚多肽-DNA超分子水凝胶之后,Li等研究了其力学性能,发现聚多肽-DNA超分子水凝胶具备剪切变稀行为、优异的自愈合性能和可注射性(如图3b,c所示)。他们通过调节体系的pH值,使聚多肽的二级构象发生转变,进一步改变水凝胶力学强度。由于DNA杂化是动态可逆的非共价相互作用,因此合成的聚多肽-DNA 超分子水凝胶样品在受到外界刺激时,会出现DNA双链解开和重新结合的动态平衡过程。因此,聚多肽-DNA超分子水凝胶体系既可以通过调控DNA单元实现对水凝胶力学强度的调控,又可以通过调控聚多肽的二级结构来实现。

Chen等合成了一种DNA接枝的聚合物多肽分子刷,通过让两种含有互补DNA侧链的聚多肽-g-DNA分子毛刷杂交,得到了具有层次的超分子组装结构(如图3d所示)^[35]。研究还发现,这种聚多肽-g-DNA可以与DNA接枝金纳米粒子杂交得到功能化的超分子结构,还可以与含有互补“黏端”的连接体ds-DNA杂交制备DNA多肽水凝胶。

3.3 DNA-两亲性多肽复合分子的动态自组装

动态自组装是指系统在必须耗散能量的情况下才能完成和维持的自组装。在动态自组装中,组装体的结构与功能,能够在特定的作用力下,随着时间的推移而发生改变,这个过程一般是可控的(比如:能量的引入、组装环境的改变等)。细胞是一种封闭、自我复制、能量耗散和适应性的结构。所以为了达到最终的应用目的,研究分子的动态自组装是非常有必要的^[44]。由于其可编程和响应性的分子识别特性,用DNA来构建这种动态和复杂的纳米结构是一种非常有吸引力的策略^[11,19,20]。首先,DNA可编程的分子识别特性使得能够制造出结构复杂多样的DNA纳米结构^{[55,56,57,58]}。其次,碱基互补的DNA双链之间的结合是可逆的,可响应各种外部刺激,如温度、离子强度和pH值^[59]。另外,通过改变DNA的长度和序列能够控制DNA双链之间的结合强度。第三,DNA具有多样的分子识别特性,除了互补DNA外还可与各种化学和生物分子(如金属离子,小分子和蛋白质)特异性相互作用^{[60,61,62,63]}。最后,DNA可与各种有机分子和无机纳米粒子结合,生成具有特定功能和形貌的杂化材料^[64]。

Stupp等在两亲性多肽末端分别引入单链DNA,设计了两种具有互补单链寡聚核苷酸的多肽-DNA分子(图4a),这两种分子能够分别在水溶液中组装形成单根的纳米纤维,纤维骨架由多肽分子通过疏水作用以及β-折叠片组装形成,而纤维表面则具有游离的单链DNA(图4b)。将两种多肽水溶液混合之后,溶液中的纳米纤维能够通过纤维表面的单链DNA的杂化反应进行交联,进而形成纤维束结构,并导致水溶液转变为凝胶(图4c)^[18]。研究发现可以通过调节纤维表面DNA的量来调节水凝胶的机械性质,也可以通过改变复合分子中DNA链互补区域的长度、溶液盐浓度、PA分子中脂肪族链的长度和多肽链中氨基酸的类型等,以一种可预测的方式进行调节。纤维的聚集状态(单根纤维或者纤维束)以及溶液-凝胶的相变过程,可以通过改变温度或引入DNA链置换反应进行动态调控(图4e)。实验和模拟显示,PA单体之间的相互作用足以形成稳定的纤维,但若作用太强会阻止DNA接枝单体的动态分布。相关工作表明,利用DNA杂化反应以及链置换反应,可以实现对超分子自组装体的动态调控,在再生医学领域具有很好的应用前景。

Daly等报道了两亲短肽-DNA复合分子自组装成的超分子结构可以通过改变温度、pH值或添加可溶性触发剂进行调控(图5)^[38]。两个含有互补单链寡核苷酸的短肽-DNA分子在溶液中混合后会共组装形成纤维束(图5a,b)。由于DNA的杂化作用是可逆的,所以形成的多级结构可以被逆转。例如,改变盐的浓度可以改变DNA片段的杂交情况,进而改变纤维结构。此外,通过调节DNA片段的长度也可以改变纤维结构。在引入DNase(一种催化磷酸二酯键水解分解的酶)后,观察到共聚物的形态从扭曲转变成线性,说明切割DNA片段,可以使扭曲的结构重组为线性纤维。此外,使短肽-DNA超分子重构的另一种手段是对肽结构域进行修饰。在多肽上引入Fmoc基团可以稳定短肽-DNA纤维结构,避免形成球形胶束(图5e)。DNA杂交的可逆性和精确性,可应用于组织工程、药物输送和生物传感等领域,若将这一特性与DNA折纸和纳米技术结合,将为创建动态多级超分子结构提供更多可能。

Wang等利用一对反作用酶可逆转化ATP和ADP来控制核酸肽的自组装(图6)^[39]。这两种酶分别是己糖激酶(HK)和肌酸激酶(CPK),前者将己糖磷酸化,将磷酸基从ATP转移到葡萄糖生成ADP,后者在磷酸肌酸(Pcr)存在下催化ADP生成ATP。在葡萄糖的作用下,核酸肽和ATP作用形成沉淀,而加入HK水解ATP成ADP,沉淀转化为溶液,向溶液中添加CPK可进一步将ADP转化为ATP,并诱导核酸肽形成沉淀。实验发现,核酸肽在包括血清和细胞在内的生理条件下对ATP具有选择性。添加ATP和ADP后,核酸肽构象发生轻微变化,说明核酸肽的稳定组装对ATP的隔离起着至关重要的作用。当与多重耐药癌细胞共同培养时,核酸肽减缓了抗癌药物的外排。说明除了使用酶来触发自组装外,合理设计的核肽组装还能选择性地隔离ATP,破坏细胞内的ATP动态,增强抗癌药物阿霉素对耐药癌细胞的活性。这项工作提供了一种调节细胞中ATP功能的新方法,说明了如何使用超分子组装与生物小分子相互作用以控制细胞行为。

4 DNA-多肽复合分子的应用

DNA-多肽复合分子集成了多肽和DNA两大类重要的生物分子,具有精确编码的分子序列、多级的组装结构以及满足不同生理需求的生物活性,因此在生物医药、传感检测、先进材料等领域具有广阔的应用前景。

4.1 生物医药

天然细胞基质是一个高度动态的环境,然而目前已报道的人工生物材料很难满足这一特性。肽-DNA水凝胶可以将DNA的可编程性与肽的生物活性或组装结构结合起来,是构建此类材料的极佳候选之一。Stupp等将DNA-多肽水凝胶用作模板模拟细胞外基质(ECM)动态变化的环境,通过链置换反应添加和去除交联的DNA来调控凝胶中纳米纤维的聚集形态,即从单个纤维到纤维束之间的可逆转变(图7a,b),并研究了这种动态结构对细胞分化的影响^[18]。结果显示,来自中枢神经系统的皮质星形胶质细胞在单个纤维(较软的支架)上保持幼稚形态,而在成束的纤维(较硬的支架)中则转变为反应型形态(图7c)。相关研究(即动态环境中的细胞调控)可以为神经障碍和脑或者脊髓疾病的有效治疗提供重要参考。

Serrano等合成了带有血小板衍生生长因子适配体的DNA-两亲性肽复合物,并将其组装成高长径比的纳米纤维(图8)^[36]。为了形成带适配体的DNA-PA纳米纤维(apt-PAN),他们将带适配体的DNA-PA与已知形成高纵横比纳米纤维的稀释剂PA(palmitoyl-V3A3E3)共同组装^[65]。两个PA的疏水性烷基链聚集形成纳米纤维的核心,而适配体则游离的分散在纤维的表面。为了证明这些超分子系统的治疗潜力,他们用人肺纤维细胞进行了对比试验,发现与游离适配体相比,连接了多肽纳米纤维的核酸适配体与靶点的结合能力有所提高。该研究证明了DNA-两亲性肽纳米技术在增强适配体生物活性方面具有的潜力。

4.2 3D生物打印

Li等制备了一种快速成型的超分子DNA-多肽水凝胶,并首次应用于原位多层3D生物打印^[40](图9)。在生理条件下,通过将形成凝胶的两组分分别作为生物墨水,水凝胶可以快速形成(几秒钟)。由于水凝胶具有较高的机械强度和不收缩、不膨胀的特性,印刷结构可以保持其形状在毫米级,而不会发生塌陷或变形。此外,还证明了3D打印可以制造出具有高活性和正常细胞功能的活细胞组织。蛋白酶和核酸酶的完全生物降解性,使得DNA-多肽水凝胶可以根据需要从系统中完全除去。3D生物打印技术的发展为细胞培养、组织工程和器官移植提供了可能性,DNA-多肽水凝胶的生物相容性、生物降解性、功能多样性等特点,使其在3D生物打印及相关应用领域有着巨大的应用前景。

5 结论与展望

科学家们从DNA分子的结构特点出发,利用其精确的识别作用和序列可编程性等优势,通过与多肽相结合,设计并成功制备出了DNA-多肽复合分子。该类分子集成了DNA与多肽两类生物分子的功能与优点,具有可编程性、高特异性、生物活性多样等优点,且能够组装形成具有结构功能动态可控的超分子材料,在生物医药、纳米科技、智能材料等领域具有广泛的应用。但是目前关于DNA-多肽复合分子的研究依然相对较少,尚处于起步阶段。在分子设计方面,可根据实际应用体系,通过对多肽、DNA序列的特殊设计,并引入功能基团等,获得具有更多功能以及结构特点的新型多肽-DNA复合分子;在组装调控方面,如何实现定向组装,在复杂的生理环境下动态地控制超分子结构是科学家们仍要研究的问题。此外,已报道的组装体系其响应机制仍比较单一,很难满足在复杂环境中实现多重的或者协同的响应性。最后,在实际应用方面,由于自组装的识别作用与化学键相比属于弱相互作用,目前DNA-多肽复合分子的组装结构机械强度普遍不高,限制了其在特定领域的应用。此外,目前有关多肽-DNA复合分子的应用研究报道仍然相对较少,亟需开发更多的应用体系。

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