生命大分子自组装

张 燕，陈 建，甘喜武，王正华

(1.黄冈师范学院 化学化工学院，湖北 黄冈 438000；2.黄冈市教育局，湖北 黄冈 438000；3.湖北省黄冈中学，湖北 黄冈 438000 )

分子自组装是多个小分子自发聚集成大分子或超分子的过程，通过分子间的弱相互作用力(范德华力和氢键)及其化学协同作用实现[1]。分子自组装过程能将无序的小分子体系转化成有序的大分子体系，因此分子自组装技术可以与物理、化学、生物以及材料等多个学科交叉融合，从而促进新概念和新技术的产生。自组装离我们的生活并不遥远，可以说自组装过程以各种形式在自然界中发生，从分子水平的蛋白质折叠和脂质双分子层的形成，到地球整个生物系统的建立，每个生物有机体都是通过各种具有生命活性的小分子自发聚集组装形成。

人们对自组装技术的研究通常是受到生物体系的启发：(1)从小分子的核苷酸(含碱基的腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶及胸腺嘧啶)自组装能形成生命体的基因密码到转基因技术和人工自组装合成DNA类似物技术[2-4]；(2)从小分子氨基酸(20种天然氨基酸)在生物体内自组装合成生命蛋白到人工自组装合成多肽小蛋白技术[5-6]。生命体系中高度有序的大分子结构对生命活性和生物功能承担着重要作用：由于活性分子之间范德华力和氢键的相互配合,共同使得复杂的生物大分子按照特定的规律,形成均一的分子形状和尺寸。因此生命过程得以实现,很大程度依赖弱的分子间作用力对大分子的精确控制。

高中化学中介绍了氢键的形成原理及作用方式，因此可以在高中化学必修二分子晶体模块和选修三氢键模块相关内容的教学过程中，引入DNA折纸术的概念并组织学生制作DNA折纸模型，可以使学生们更加形象地了解氢键的形成及其作用。DNA折纸术的可作为教学中的情景素材，体现新课标课堂的教学要求。

1 DNA的可视化-DNA折纸术

随着科学技术的进步，人们为了构建能应用于工程学和医学的细胞机器，一直期望借助自组装技术制造出达到细胞或细胞器的尺寸和复杂性的人造物体。人们逐渐发现通过设计DNA分子的纳米结构可以制造出尺寸大于正常细胞的细胞机器。尽管DNA、RNA和蛋白质都可以用于自组装设计纳米级仿生体系，但因DNA链上特定碱基之间通过强烈的氢键作用形成稳定互补且可预测的碱基对而具有特殊的可编程性，这个优势促使DNA成为最优的纳米级构件。

DNA折纸术作为DNA纳米技术发展的里程碑，通常由长链DNA在数百条被称为“订书针”的短单链DNA的作用下被折叠成目标形状，而这些短单链DNA之所以能充当长链DNA的“订书针”，是因为它能与长链DNA特定区域的碱基形成稳定氢键，从而实现引导长链DNA的折叠过程。由于DNA折纸纳米结构中的每个DNA链都占据着一个独特位置，可以作为一个独特的像素，自组装DNA纳米结构能获得纳米级精确的图案(图1)[7-8]，因此DNA折纸术非常适用于创建可编程的分子机器和功能材料阵列领域。

图1 脱氧核糖核酸(DNA)单链示意图(a)；DNA折纸技术将长链DNA折叠成公鸡图像(b)

DNA折纸术已经广泛地用于二维和三维纳米DNA生物构件的设计。传统上的二维和三维的砖状DNA折纸物体的实现是借助于DNA纳米结构的图形设计程序将平行的DNA构造组装在正方形的蜂窝网格上以赋予三维的结构刚度。获得的二维和三维DNA生物构件可以广泛用于模板材料(如：如碳纳米管、金属纳米线、片状石墨烯和细胞配体图案)[9-12]。此外，功能化二维DNA折纸构件还可以用作单分子化学反应器、能量转移装置、药物传递和平版印刷的支架。这些功能都是依赖于在预设位置执行DNA折纸的二次功能化能力，以及DNA纳米构件的刚性结构。由于在二维和三维DNA构件中，DNA束具有高电荷密度，需要借助高离子强度条件来稳定砖状折纸。为了实现刚性二维线框DNA自定义形状折纸对象的通用设计和制作，Jun等[8]人引入全自动逆序列设计了增强机械强度的三层折纸结构程序(图2)，同时通过改变多边形的定点数和精确多边形的顶角，获得了正方形和五边形的DNA折纸纳米结构(图3)。

图3 基于双螺旋DNA(DX-)和DNA螺旋束(6HB-)折叠成二维DNA折纸构件：a.正方形；b.五边形；c和d分别为其对应的原子力显微镜图片

图2 基于DNA螺旋束的二维线框DNA折纸术

DNA折纸术前沿热点，可从三个方面将其引入高中化学的教学过程中：(1)将DNA折纸术作为课堂教学的真实情景素材，先给学生介绍DNA的神奇，再通过挖掘DNA折纸术背后的原理，使学生能充分理解氢键的作用原理及作用方式，最终解释DNA折纸术的原理，促使学生在该过程中能获得解决真实情境问题的能力；(2)DNA折纸术具有一定的趣味性，可以作为高中化学教学的课外拓展活动，有望提高学生学习化学的兴趣；(3)氢键作为较强的分子间作用力，也是DNA折纸术的核心，因此该内容还可以作为命题素材。

2 蛋白质的可视化

蛋白质的基本组成单元是由20种天然氨基酸(也称为L-氨基酸)：甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)、缬氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Ile)、甲硫氨酸(Met)、脯氨酸(Pro)、色氨酸(Trp)、丝氨酸(Ser)、酪氨酸(Tyr)、半胱氨酸(Cys)、苯丙氨酸(Phe)、天冬酰胺(Asn)、谷氨酰胺(Gln)、苏氨酸(Thr)、天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、赖氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)和组氨酸(His)。因此，蛋白质是由L-氨基酸依据一定的次序以肽键(酰胺键)连接而形成的生物大分子，这些酰胺键中的氧原子极易与肽链主链或侧链上的氢原子形成氢键，而导致肽链和蛋白质大分子具有多种结构。这些结构中，蛋白质多肽链的氨基酸序列称为一级结构，在序列的不同区域由于分子内氢键作用形成局部规则的二级结构(α-螺旋结构和β-折叠结构)，而三级结构则是这些一级和二级结构通过分子间氢键的作用组装形成一个或几个紧凑的球状单元(称为域)，最终的蛋白质分子可以由一条或几条多肽链通过氢键自组装形成四级晶体结构(图4)。

图4 蛋白质的结构：一级、二级、三级和四级结构

生活中肉眼可见的胶原蛋白(常见于动物皮和鸡蛋清等)都属于最终蛋白质分子。此外，还有一些三级结构的蛋白质也可以观察到，如由大约238个氨基酸构成的绿色荧光蛋白(GFP)，该蛋白是由11条反平行的β-线自组装形成一个桶状结构，该桶状结构的中心组装整合了一个单链α-螺旋结构以及桶状结构两端的若干多肽环和短螺旋，采用蓝光或紫外光照射时会激发该蛋白质发射绿色荧光(图5)。2008年日本科学家下村修、美国科学家马丁·查尔菲和钱永健也因为在发现和改造绿色荧光蛋白质领域的杰出贡献被授予诺贝尔化学奖。绿色荧光蛋白在药物筛选[13]、生物传感器[14]以及基因调控[15]方面应用广泛。

图5 水母中的绿色荧光蛋白

荧光蛋白最特别之处是能发射荧光，该结构中位于桶空腔中心的65-67位的氨基酸残基(丝氨酸、酪氨酸、甘氨酸)经过环化、脱氢等作用后形成发色团，而且发色团只需在氧气作用下由桶结构外周的氨基酸氨基催化即可。绿色荧光蛋白的应用相当广泛，例如将药物小分子与绿色荧光蛋白结合，可以示踪药物分子的运动路径[16](图6)。

图6 荧光蛋白示踪小鼠体内的药物运行路径

3 展望和结语

本文主要简单介绍了DNA折纸技术和蛋白可视化的应用及其前景，探讨了生命物质的结构与人们日常生活的紧密联系。DNA折纸术和蛋白质可视化的基本原理是化学小分子物质通过分子内氢键和分子间氢键作用逐步自组装成人们“肉眼可见”的生命大分子。教师在高中化学的教学过程中可介绍氢键的原理和作用方式后，将DNA折纸术和肽链自组装成可视化蛋白质的神奇性展示给学生，从而激发学生学习化学的兴趣。同时，可设置问题引发探究，为什么存在长链DNA某处碱基互补的短链DNA时，短链DNA就能插入到互补的2条长链DNA中实现“订书针”的作用？肽链自身由于氢键作用形成二级结构后，为什么肽链间还能通过分子间氢键形成三级或四级可视化蛋白结构呢？可以激发引导学生发现问题的意识、拓宽分析问题和解决问题的视野、激发他们探求未知事物的兴趣。