【摘要】：生物小分子能通過分級自組織構(gòu)筑具有復雜結(jié)構(gòu)的生物功能體系。受生物組裝體的啟發(fā),生物小分子的分級自組裝為構(gòu)建功能材料提供了一種新策略,也為理解生命現(xiàn)象提供了一個新視角。自然光合成系統(tǒng)能將太陽能高效轉(zhuǎn)化為化學能,為人工太陽能的利用提供了一個藍本。如何模擬光合成系統(tǒng)中蛋白質(zhì)、色素分子和輔因子的精巧組織原則,來增強光捕獲、電荷分離和催化反應(yīng)的持續(xù)性,成為構(gòu)建仿生光合體系中的關(guān)鍵科學問題。我們以氨基酸、寡肽、卟啉生物小分子為原料,通過分子自組裝構(gòu)建了一系列仿生光合體系,模擬了光合成系統(tǒng)的組織原則和作用機制。在卟啉基仿生光合體系構(gòu)建中,采用了兩種基本策略,一種為寡肽和卟啉協(xié)同共組裝,另一種為寡肽或氨基酸-金屬離子自組裝模板調(diào)控卟啉組裝。在原始光合體系構(gòu)建中,使用了熱能驅(qū)動非光合成的氨基酸-金屬離子組裝體向前生物色素(原初捕光單元)轉(zhuǎn)化。具體研究內(nèi)容主要分為以下四個部分:(1)親水性的二肽通過靜電和氫鍵作用調(diào)控卟啉分子的分級自組裝,形成了長程有序纖維束。其中卟啉分子以J-聚集組織,且J-聚集體納米棒定向排布。這模擬了綠色體中菌綠素的組織模式,增強了光吸收和能量傳遞能力。在耦合了原位礦化的反應(yīng)中心后,雜化纖維束能實現(xiàn)可見光催化產(chǎn)氫。(2)經(jīng)左旋多巴分子化學修飾后,兩親性的氨基酸自組裝納米纖維,可以形成含有酚和醌基團的粘附性納米纖維模板。其可通過配位和靜電作用調(diào)控金屬卟啉分子和金屬氧化物(產(chǎn)氧催化劑)的組織。金屬卟啉在納米纖維模表面呈環(huán)形排布,醌基團能作為電子受體,這分別模擬了紫色細菌的捕光單元和產(chǎn)氧光合成系統(tǒng)的醌型反應(yīng)中心,增強了電荷分離。雜化納米纖維能實現(xiàn)可見光催化產(chǎn)氧。(3)受胱氨酸結(jié)石病理過程的啟發(fā),以金屬離子通過配位和氫鍵作用調(diào)控了胱氨酸結(jié)晶的過程,形成了分級有序微球結(jié)構(gòu),它由納米棒劈裂生長構(gòu)成。微球能在晶體生長的過程中通過靜電作用封裝卟啉和酶分子。微球同時模擬了葉綠體的基粒結(jié)構(gòu)和光-暗偶聯(lián)反應(yīng),增強了光催化燃料生產(chǎn)的可持續(xù)性。(4)以氨基酸和金屬離子為前生物模型分子,探究了其在水熱環(huán)境中的進化過程。胱氨酸-鋅組裝體在水熱條件下轉(zhuǎn)化為分級組織的碳摻雜的硫化鋅微球,其能同時捕獲紫外光和可見光,并能催化原始的光合成反應(yīng)。這提供了一個原始光合成系統(tǒng)的進化模型,實驗上驗證了前生物分子在熱能和光能的驅(qū)動下連續(xù)地自進化。生物小分子自組裝也能用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域。針對光動力治療中光敏劑藥物生物利用度低的問題,利用寡肽調(diào)控卟啉分子自組裝構(gòu)建了新型光敏劑給藥系統(tǒng)。選用兩親性寡肽的分子調(diào)控了與卟啉的靜電、疏水和π-π堆疊作用,使光敏劑藥物的自組裝限制在納米尺度范圍內(nèi),形成了納米球。組裝的光敏劑藥物納米球具有許多治療優(yōu)勢,包括載藥量高,響應(yīng)性釋放,腫瘤靶向性。這些特點提高了光敏劑藥物的生物利用度,在光動力抗腫瘤治療中取得了良好效果。以上工作主要利用生物小分子分級自組裝,構(gòu)建了復雜結(jié)構(gòu)的功能體系,用于仿生光合成和抗腫瘤光動力治療。組裝引起功能增強的關(guān)鍵是設(shè)計組裝基元的分子結(jié)構(gòu),通過分子間弱相互作用的協(xié)同,調(diào)節(jié)分子、納米和微米尺度上的自組裝過程,控制組裝體尺度和結(jié)構(gòu)。
[Abstract]:Biomolecule can construct complex biological function system by self-organization. Inspired by bio-assembly, hierarchical self-assembly of bio-molecule provides a new strategy for constructing functional materials and a new perspective for understanding life phenomena. Natural photosynthesis system can convert solar energy into chemistry efficiently. How to simulate the delicate organization principles of proteins, pigment molecules and cofactors in photosynthetic systems to enhance the sustainability of light capture, charge separation and catalytic reactions has become a key scientific issue in constructing biomimetic photosynthetic systems. A series of biomimetic photosynthetic systems were constructed by molecular self-assembling, which simulated the organization principle and mechanism of the photosynthetic system. In the construction of porphyrin-based biomimetic photosynthetic system, two basic strategies were adopted, one was the co-assembly of oligopeptides and porphyrins, the other was the self-assembly template regulation of oligopeptides or amino acid-metal ions. Porphyrin assembly. In the construction of the original photosynthetic system, non-photosynthesized amino acid-metal ion assemblies were driven by thermal energy to convert into probiotic pigments (original light trapping units). The specific research contents are mainly divided into the following four parts: (1) hydrophilic dipeptides regulate the graded self-assembly of porphyrin molecules through electrostatic and hydrogen bonding interactions, forming a hydrophilic dipeptide. Long-range ordered fiber bundles, in which porphyrin molecules are J-aggregated and J-aggregated nanorods are directionally arranged, simulate the structure pattern of bacteriorubin in green bodies and enhance the ability of light absorption and energy transfer. After modification, amphiphilic amino acid self-assembled nanofibers can form adhesive nanofibers templates containing phenol and quinone groups, which can regulate the structure of metalloporphyrin molecules and metal oxides (oxygen-producing catalysts) by coordination and electrostatic interaction. Metalloporphyrins are annular arranged on the surface of nanofibers, and quinone groups can act as electrons. Receptors, which mimic the light-harvesting units of purple bacteria and the quinone-type reaction centers of oxygen-producing photosynthetic systems, enhance charge separation. Hybrid nanofibers can produce visible-light photocatalytic oxygen. (3) Inspired by the pathological process of cystine stones, metal ions regulate the crystallization of cystine through coordination and hydrogen bonding, forming cystine. The microspheres can encapsulate porphyrins and enzymes by electrostatic interaction during crystal growth. The microspheres also simulate the matrix structure of chloroplasts and the light-dark coupling reaction, which enhances the sustainability of photocatalytic fuel production. (4) Amino acids and metal ions as the pre-biological model. Cystine-zinc assemblies can be transformed into carbon-doped zinc sulfide microspheres with hierarchical structure under hydrothermal conditions. Cystine-zinc assemblies can capture both ultraviolet and visible light and catalyze the original photosynthetic reactions. This provides an evolutionary model of the original photosynthetic system and is verified experimentally. Bio-small molecule self-assembly can also be used in the field of biomedicine. To solve the problem of low bioavailability of photosensitizers in photodynamic therapy, a novel photosensitizer delivery system was constructed by using oligopeptides to regulate porphyrin molecular self-assembly. The electrostatic, hydrophobic and pi-pi stacking with porphyrins restricts the self-assembly of photosensitizer drugs to nano-scale, forming nanospheres. The assembled photosensitizer drug nanospheres have many therapeutic advantages, including high drug loading, responsive release, and tumor targeting. These characteristics improve the bioavailability of photosensitizer drugs, and in light. In this work, we have constructed a functional system of complex structures for biomimetic photosynthesis and anti-tumor photodynamic therapy by using hierarchical self-assembly of small biological molecules. Adjusting molecules, self assembling processes at nanometer and micron scale control the scale and structure of the assembly.
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院過程工程研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：R73-36

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本文編號：2219914