顶刊动态丨Nature子刊/PNAS/JACS/Angewandte等生物材料学术进展汇总（4.27-5.5）
1、Nature Nanotechnology：高速原子力显微镜有助于理解核孔复合体运输机理
图1 核孔对大分子物质的选择性运输机理
核孔复合体（NPCs）控制着大分子在细胞核和细胞质之间的双向运输，这个过程需要无定型的核孔蛋白的参与（Nups），但是NPCs为什么具有选择透过性还无法得知。
最近瑞士巴塞尔大学的Yusuke Sakiyama等人用高速原子力显微镜（HS-AFM）研究了 Nups在纳米尺寸上的时空运动。他们观察到了核孔周围的八个Nups，这些Nups一头被固定在核孔（与细胞质连接一面）的四周，而剩下的多肽链可以在孔内运动，这些多肽链形成一个“筛子”（筛子的形状不是固定的），运动快的小分子可以很容易通过这个筛子，运动慢的大分子则很难通过，而载有“货物”的大分子因为能与多肽链结合也能通过核孔。该实验第一次直接证实Nups的阻碍作用，也证明HS-AFM在研究高速运动并且无定型系统方面的作用。
2、Angewandte：一种非血红素铁混杂酶的发现
图2 AmbO5能催化的卤代反应
蛋白质基催化剂是一种很有前景的能让卤原子取代sp3杂化的碳原子上氢原子的催化剂，而卤化酶WelO5就是一种能让吲哚类生物碱上的sp3杂化碳原子发生卤代反应的酶，但是它只能催化两个反应。
最近美国克兹堡大学的研究人员发现AmbO5（与WelO5是同族卤代酶，且它们有79%相同的氨基酸序列）能使7种（包含WelO5能催化的两种）官能团、碳骨架和构象都不同物质发生卤代反应。他们认为AmbO5和WelO5是由同一种蛋白质演化来的，并且通过将AmbO5和WelO5组合和对修改WelO5上的18个氨基酸序列再进行催化实验初步证实他们的猜测。
3、Angewandte：DNA损伤修复机理
图3 AZT和T-AU在不同光照下的相互转换
紫外线可以使DNA链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体（主要包括环丁烷嘧啶二聚体（CPD）和（6-4）光产物（6-4PP）），从而使DNA受到损伤。光修复酶能利用阳光来修复这些受损的DNA，光修复酶由两部分组成，第一部分吸收光能并将能量转移到第二部分，第二部分则将电子转移到CPD上使环丁烷分裂从而修复DNA。但是光修复酶修复6-4PP的机理还不是很清楚。
最近，西班牙的科学家利用CPD的类似物AZT来模拟光修复酶修复6-4PP的过程。AZT由T-AU在光照条件下发生环加成反应得到，而AZT在光修复酶和光的作用下又生成T-AU。该实验首次证明光修复酶在光的诱导下可以将一个电子注入到CPD类似物中引起环丁烷的分裂从而修复核硷基，该发现有助于理解6-4PP光修复酶的修复机理。
4、JACS：SiO2纳米花粉增强粘附助力长期抑菌
图4 （a）制备纳米花粉的示意图；（b）装有溶菌酶的花粉粘附在细菌表面
花粉颗粒表面很粗糙，最外层长有很多“钉子”，这些钉子有助于花粉粘附在昆虫的皮毛上，从而在昆虫的帮助下完成授粉。
受到花粉的启发，澳洲昆士兰大学的研究人员用简单的方法制备了SiO2纳米“花粉”，这些花粉的直径大约为257nm，表面形貌与真实的花粉相似，因此很容易粘附在细菌表面的纤毛上。他们在花粉表面的小孔里装上溶菌酶，当载有溶菌酶的花粉粘附在细菌表面后，溶菌酶被缓慢的释放出来。于是花粉不仅提高了溶菌酶的利用效率，而且还延长了它的抑菌周期。
文献链接：Silica Nano-Pollens Enhance Adhesion for Long-Term Bacterial Inhibition
5、Angewandte：铁基催化剂选择性氧化甾体底物上的碳原子
图5 合成的四种催化剂
选择性氧化烷基上的C-H键在有机合成中是很重要的一类反应，但是能被氧化的往往是比较活跃的C-H键，而大部分的C-H键是不能被氧化的。
最近西班牙的研究人员合成了四种铁基复合物（其中两种跟另外两种分别是手性对称的），它们不仅能选择性氧化甾体底物上的烷基C-H键，而且手性不同时它们对不同C-H键的氧化能力改变，这是首次在合成的催化剂上观察到这种现象。
6、Angewandte：微胶囊提高大肠杆菌代谢产物中苯乙烯的含量
图6 苯乙烯在微胶囊里富集
利用微生物来合成一些重要的小分子有机物是绿色合成的重要组成部分，这些小分子一般是微生物的代谢产物，它们对微生物有一定的毒性，超过一定的浓度会使微生物死亡，因此这种方法获得的小分子产量是有限的。
最近，哈佛大学的研究人员发现一些两亲性维生素E衍生物在培养液中能形成微胶囊，（能生成苯乙烯的）催化剂和反应物在微胶囊里富集，并且生成的苯乙烯也留在微胶囊中，因此降低了苯乙烯对微生物的毒性，使得苯乙烯的产量提高了几倍。这种技术在生物合成小分子方面很有前景。
7、ACS Nano：用氧化石墨烯探测酶的活性以及筛选抑制剂
图7 氧化石墨烯荧光强度改变的机理
老年痴呆症（AD）一般被认为与乙酰胆碱酯酶（AChE）催化乙酰胆碱（ATCh）生成硫代胆碱和乙酸的反应有关。抑制AChE的活性是一种延缓AD发病的有效方法，但是目前还没有探测AChE活性的简便方法，因此也很难发现能抑制AChE活性的物质。
最近，韩国汉阳大学的研究人员用多糖来非共价键地修饰氧化石墨烯（PhO-dex-GO），PhO-dex-GO能在多种溶液中保持分散状态，它的荧光强度随乙酸（反应产物）的浓度增加而增加，而与AChE和ATCh的浓度无关。因此通过PhO-dex-GO的荧光强度能很容易确定AChE的活性，从而能更加方便的发现对抑制AChE活性起抑制作用的物质。
8、Angewandte：注油多孔表面能防污垢和杀死溶液中的病原体
图8 SLIPS表面的防污垢效果
润滑液体注入多孔表面（SLIPS）是将油注入多孔表面形成的一种自清洁表面，利用SLIPS来防污垢是最近发展起来的一种防污垢方法，但是这种方法不能杀死表面附近溶液里的微生物。
最近，美国威斯康星大学的Uttam Manna等人进一步发展了SLIPS，他们先往多孔的聚合物多层膜注入一种抗微生物的药物（triclosan），然后再注入硅酮。因为triclosan不影响硅酮的性质，所以这种表面不仅能够防污垢，而且由于triclosan能缓慢释放到溶液中，它还能杀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药物做成这种表面，因此这种表面有很广泛的应用前景。
9、Angewandte：确定对生物合成玫瑰黄色素起关键作用的酶
维生素类似物是新型抗生素的来源，玫瑰黄色素（RoF）是维生素B2的类似物，从B2合成RoF的过程中会生成几种中间产物，AF就是其中的一种，但是究竟是什么酶参与AF的合成还不清楚。
最近德国的研究人员从参与完整RoF合成的基因片段入手，确定了某种细菌上的BN159_7989基因（RosB）对B2转换为AF起主要作用。RosB在化学合成方面有很大的作用，通过对RosB的改性，能使多环芳烃上特定位置的甲基被氨基取代。
文献链接：Identification of the Key Enzyme of Roseoflavin Biosynthesis
10、Nano Letters：厌氧细菌在肿瘤成像和治疗方面的应用
图10 左图为用第二种方法治疗肿瘤的效果，右图为一般治疗的效果
肿瘤是当代导致死亡的主要因素，肿瘤周围一般会形成一个缺氧和低PH值的区域，这个区域的存在阻碍了肿瘤的治疗。但是这种环境却适合厌氧细菌的生长，这为治疗癌症提供了一个新的思路。
最近台湾国立成功大学的Cheng-Hung Luo等人研究了两种利用厌氧细菌抗癌的方法。第一种是将功能纳米粒子（上转换材料和金纳米棒）与厌氧细菌结合然后注入体内；第二种是先将厌氧细菌的孢子注入体内，然后再将与抗体结合的纳米粒子注入体内。因为厌氧细菌只能在缺氧的条件下存活，所以它们会在肿瘤内富集。他们先用上转换材料证实了细菌会在肿瘤内富集，然后利用近红外光照射金纳米棒使其发热杀死癌细胞。总体上来说，第二种方法的效果更好。这种方法有望用来治疗多种癌细胞。
文献链接：Bacteria-mediated hypoxia-specific delivery of nanoparticles for tumors imaging and therapy
11、Nature Communications：用柔性凝胶电极制备的生物信号放大器
图11 由碳纳米管凝胶复合材料和有机晶体管组成的放大系统
体内电子监控系统有助于我们理解生命体内的生物活动，是很有前途的下一代医学电子设备。但是目前使用的设备在体内的稳定性不好，且对生物信号的灵敏度不高。
最近日本东京大学的Tsuyoshi Sekitani等人将多壁碳纳米管分散在聚轮烷凝胶上制备了一种生物相容性良好和导电率高的凝胶复合材料。这种凝胶复合材料具有100 mS cm−2的导纳，甚至在低频范围也保持高导纳。将这种复合材料做成电极注入皮下组织4周时，产生的异物反应比常用的的金属电极小的多。这种电极能够在不均匀的心脏表面全部铺展开来，将它与有机晶体管信号放大装置连接时，可以将小鼠心脏产生的1mV电信号放大200倍。
文献链接：Ultraflexible organic amplifier with biocompatible gel electrodes
12、Angewandte:B类G-蛋白偶联受体（GPCR）的光控变构
图12 PhotoETP的作用示意图
变构调节是指小分子化合物与酶蛋白分子活性中心以外的某一部位结合，引起酶蛋白分子构像变化从而改变酶的活性。
近日德国科学家合成了一种正别构调节物（PhotoETP），这种化合物可以分别用440和330nm的光照射来得到顺式（cis)和反式(trans)构象。trans-PhotoETP可以通过与G-蛋白偶联受体结合促进细胞间Ca2+的运动和胰岛素的分泌，而cis-PhotoETP却没有这个作用，并且PhotoETP对细胞的影响很小，PhotoETP有助于理解别构现象和B类GPCR的信号传输。
文献链接：Allosteric Optical Control of a Class B G-Protein-Coupled Receptor
13、Advanced Functional Materials：仿生贻贝的治疗心肌梗塞的心脏补丁
图13 补丁的显微结构，右图中的小点为Ppy
目前治疗心肌梗塞的主要方法是修复坏死的心肌层，修复的方法是直接将相关的细胞注入受损部位，但是这些细胞不能固定在受损部位，很容易转移到心室腔或者血管里，因此治疗效果不明显。一种治疗的新思路是：将心肌细胞吸附在高分子骨架（有类似心肌层的结构和功能）上做成补丁“贴在”受损部位，从而使心脏功能恢复。
最近南方医科大学的Leyu Wang等利用从贻贝腿中提取出来的粘性很强的蛋白质制备了一种多巴胺，将这种多巴胺和一些助剂制成高分子骨架，再加入心肌细胞得到心脏补丁。这种补丁有导电性、良好的生物相容性、与心肌层相似的杨氏模量，补丁里面的Ppy助剂还能融入心肌细胞中促进某些蛋白的产生。将这种补丁贴到小鼠心肌梗塞的部位，受损的部位变小了，且心脏的功能得到改善。这种多巴胺很有希望作为修复梗塞组织的骨架。
14、Advanced Functional Materials：治疗外伤性脑损伤的氧反应性聚合物
图14 ORP的合成方法和结构
外伤性脑损伤是由脑部受到外力造成的，外力直接导致神经元受损，过一段时间后，活性氧簇（ROS）在受损部位聚集，造成继发性脑损伤。治疗继发性脑损伤的主要方法是清除ROS。
最近美国华盛顿大学的Julia Xu等人制备了一种包括治疗和成像功能的纳米氧反应性聚合物（ORP）。这种聚合物里面包含甘醇（提高生物相容性和循环寿命）、Gd（提供成像衬度）和硫醚（清除ROS），将ORP注入体内后，它们在脑损伤部位富集。ORP能有效的减少受损部位及附近的ROS，从而减缓继发性脑损伤引起的神经元变性。ORP有望用来提高脑损伤的治疗效果。
文献链接：Theranostic Oxygen Reactive Polymers for Treatment of Traumatic Brain Injury
15、PNAS：离子在胶体晶体自愈行为中的作用
图15 胶体粒子的结构示意图。蓝色的为胶体粒子，外面红色的为被束缚的反离子层，小红点为游离的反离子
杂质经常在晶体中形成点缺陷甚至阻碍结晶，但是对胶体晶体来说却不是这样。胶体晶体是指直径和外形相同的或称具有单分散度的球形胶体颗粒（直径一般在100nm到1000nm）在水这类液体中按类似于原子晶体结构排列方式排列而成的一种晶体。在一定条件下，如果直径不同的胶体粒子混合，直径大的粒子会收缩从而与小的粒子一起结晶（这就是所谓的“自愈”吧）。
最近瑞士科学家Andrea Scotti等人通过实验提出了大颗粒收缩的机理。他们用聚N-异丙基丙烯酰胺（pNIPAM）制备了两种半径不同的粒子（分别为180和135nm），将这些粒子经过充分溶胀，单独或按不同比例混合悬浮在溶液中。经过一系列实验，他们提出了下面的机理来解释大颗粒收缩的现象：pNIPAM表面有可以电离的官能团，电离出来的反离子被束缚在颗粒的外表面，因为表面内外的粒子浓度不同，对颗粒产生渗透压，当渗透压大于颗粒的杨氏模量时颗粒就会收缩。当颗粒的浓度大于一定值时，颗粒会相互靠近，使得反离子的浓度增加，会进一步压缩颗粒，但是由于大颗粒的杨氏模量更小，因此压缩的更为明显。
文献链接：The role of ions in the self-healing behavior of soft particle suspensions
本文由材料人生物材料学习小组CZM供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。
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