分子组装

《化学会评论》当期封面 　　生命体系中诸多基本结构单元在特定的环境下，能自发地进行自组装，形成各种各样的纳米结构。在细胞生命活动中，蛋白的折叠和展开起到了至关重要的作用，蛋白质的错误折叠能够导致神经性疾病的发作，例如阿尔兹海默症(Alzheimer's Disease)。实际上，淀粉样纤维的形成是这类疾病的一个共同特点，通过对与淀粉样纤维形成相关蛋白、多肽甚至寡肽的序列和有效分子识别单元的研究，人们能够设计生物启发的自组装构筑基元，进而用于材料的设计和制备。 　　在科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的共同支持下，化学研究所胶体、界面与化学热力学院重点实验室研究人员近几年来一直致力于“仿生体系分子组装”方面的研究，并取得了系列研究成果，在英国皇家化学会综述期刊《化学会评论》 (Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 1877-1890) 上发表了题为Self-assembly and application of diphenylalanine-based nanostructures的综述文章，系统地介绍了该小组近几年来在肽基分子组装方面的工作，并被选为该期的封面论文。 　　该课题组基于分子仿生的概念，利用不同肽作为自组装基元，构筑了一系列肽基纳米结构，由此组装的肽纳米结构材料在应用方面展示出其独特的优势，如在生物医药领域用于组织工程、药物输运、生物成像和生物传感等。其也可作为模板材料用于各种各样功能性纳米结构的制备。肽分子自组装可在分子水平上进行设计和功能化，从而控制组装体的形状和结构(Angew. Chem. Int. Ed.2007, 46, 2431 Chem. Eur. J. 2008, 14, 5974.)，这有利于我们理解生物体里一些结构的形成和调控现象。在某些条件下，这样的肽分子能够自组装成纳米纤维，最终形成宏观的凝胶网络结构(Chem. Mater. 2008, 20, 1522 Chem. Eur. J. 2010, 16, 3176.)。另外，为了赋予纳米生物材料新的特性，发展了一些新的构建策略，制备生物有机-无机复合材料。例如，将阳离子寡肽与荧光量子点结合制备生物兼容的三维胶体球，可用于活体细胞的标记(Small, 2008, 4, 1687) 与多价阴离子结合构建适应性的杂化超分子网络，可用于多种尺度客体材料的包封，在药物控释方面有潜在的应用(Adv. Mater.2010, 22, 1283)。

线粒体是真核细胞能量代谢的主要场所，与动植物的生长发育密切相关，99%的线粒体蛋白由细胞核基因编码，在细胞质中合成。线粒体外膜TOM转位酶复合体负责绝大部分前体蛋白运输进入线粒体，再通过其他转位酶复合体分选至线粒体的各个部位。TOM复合体是由7个亚基组成的膜蛋白复合体，其组装过程是多步骤且高度动态的，需要线粒体外膜SAM复合物的协助。但是，SAM复合物如何协助TOM组装的分子机制尚不清楚。　　为了探索TOM转位酶复合体的组装机制，作物遗传改良国家重点实验室殷平教授研究团队独辟蹊径，利用哺乳动物细胞重组表达系统重构了该组装过程，并实现精准控制，可人为地为组装按下“暂停键”。该方法使得研究者捕获了TOM组装过程中的多个中间态并获得其蛋白样品，攻克了该领域多年来无法获得稳定的TOM复合体中间态的难题。研究团队利用单颗粒冷冻电镜技术首次解析了两个重要中间态的高分辨三维结构，并结合功能分析阐明了SAM复合物协助组装以及释放TOM的分子机制。　　该研究成果有助于理解TOM转位酶复合体的组装过程，更好地探究线粒体蛋白的生物发生，为线粒体疾病治疗和作物遗传改良提供理论基础。相关研究成果于近期发表在Science杂志上。

据美国物理学家组织网5月12日(北京时间)报道，美国杜克大学研究人员称，他们利用携带全部生命信息的DNA(脱氧核糖核酸)的独特双螺旋结构，将经过改造的DNA片段和其他分子进行简单混合，即可制造出无数个同样的、细小的、像华夫饼干一样的器件。利用这种技术，将来或只需一天时间就可达到现在全球每月的芯片生产量。 　　杜克大学电子和计算机工程学副教授克里斯德维耶认为，下一代电脑中或将不再使用硅芯片，而使用由DNA片段制造的逻辑芯片。 　　DNA由多对核苷酸碱基组成，这些碱基之间的关系非常密切，德维耶团队通过将这些碱基对以不同的顺序进行排列，得到了不同的DNA片段。这个过程类似于玩拼图游戏：混乱的拼图碎片会慢慢找到它们的邻居，最终成为一幅完整的拼图。研究人员要做的则是将无数个拼图碎片放在一起，然后拼出无数个同样的拼图。 　　在德维耶的实验中，“华夫饼干”“拼图”有16块，光敏分子放置在“拼图”的脊线上。当光线照射在光敏分子上时，光敏分子吸收光线，刺激电子，释放出的能量会使附近的另一类光敏分子吸收这些能量，并发射出不同波长的光线。仅用一个探测器就可将输出光线与输入光线区别开来。 　　研究证明，这些纳米结构能够有效地进行自组装，当在其上添加不同的光敏分子时，这个“华夫饼干”会显示出独特的“可编程”特性，因此，通过使用光线来刺激这些光敏分子，研究人员就能够制造出简单的逻辑门(开关)。使用更大一些的“华夫饼干”，可制造出更复杂的电路，而且这种可能性是无限的。 　　传统的电路使用电流快速地在“0”和“1”之间切换，而在新的器件中，光线可刺激由DNA制造的开关作出同样的反应，且速度更快。德维耶称，这是人们首次证明分子具有如此活跃且快速的处理和传感能力。 　　德维耶指出，这些“华夫饼干”器件可成为未来计算机芯片的基本组件。由于这些纳米结构从根本上来说就是传感器，因此，它亦可应用于生物医学。研究人员可据此制造出细小的纳米器件，以对作为疾病标识的不同蛋白作出反应。(刘霞) 　　谁要说原子弹可以做得像个“二踢脚”，你肯定得劝他回家量体温。有些事听着比这还要悬，但却千真万确。就说你正捏着这张报纸的大拇指吧，里面的遗传物质足够造出一台超级计算机的所有逻辑组件，而其潜在的计算和存储能力会让目前世界上功能最强大的计算机相形见绌。从16年前首次提出DNA计算机概念并证明其可行，到今天宣告“华夫饼干”式分子开关研发成功，实用的DNA计算机渐行渐近。关于它将如何改变人类生活，我敢断言，最权威的专家现在也只能看到皮毛。