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Science：如何“駕馭”類黑色素聚合物的合成？

來源: X-MOL 2017-07-06 15:38:38

人類的皮膚之所以有黃、白、黑、棕等各種各樣的顏色，黑色素的數量和分布是其中的關鍵影響因素。黑色素除了能決定皮膚、頭發和眼睛的顏色，還能給組織結構提供支撐，保護細胞免受紫外線輻射和自由基的氧化損傷。在生理功能之外，黑色素這種生物聚合物材料在電子傳導和能量儲存等方面也有著重要的應用。

黑色素應用于燃料電池中。圖片來源：Wiley

盡管都是生物大分子，但黑色素的人工合成研究卻遠落后于DNA和蛋白質等有著有序結構的生物聚合物。DNA和蛋白質具有有序的結構，并且結構與性質之間有著直接的聯系，而黑色素本身是無序的，難以將結構與功能直接聯系在一起。有些科學家試圖從多巴胺和酪氨酸衍生物出發，通過聚合合成類黑色素聚合物，但這些努力沒有取得突破性成果，合成過程很難控制，得到的聚合物結構無序、化學和結構性質難以確定、商業應用前途晦暗。

近日，來自美國紐約城市大學（CUNY）的Rein Ulijn教授課題組在Science 報道了一種新方法來“駕馭”類黑色素聚合物的合成。他們利用含酪氨酸的三肽為前體，使之自組裝為超分子結構，再用酪氨酸酶氧化聚合成類似黑色素的聚合物。并且，通過簡單變換三肽的序列，就可以調節所得類黑色素聚合物的光學和電化學性質。這種由肽序列調控性質的生物聚合物有希望應用到涂料、化妝品、生物醫藥及傳感器等多個領域。

Rein Ulijn教授。圖片來源：CUNY

研究人員選用的三肽前體含有酪氨酸（Y）、苯丙氨酸（F）及天冬氨酸（D），其中，酪氨酸殘基之間會產生非共價相互作用，非極性的苯丙氨酸殘基能促進聚集，而帶電荷的天冬氨酸殘基能增加溶解度。通過加熱和冷卻三肽溶液，這些小肽會自組裝成超分子結構。隨后用酪氨酸酶處理超分子組裝體，氧化聚合得到類似黑色素的聚合物。

有意思的是，三肽中酪氨酸殘基之間的非共價相互作用會隨著三肽氨基酸序列的改變而改變，因而自組裝所得的超分子結構也有區別。例如，FDY和YDF這兩種三肽會自組裝成可溶的聚集體，FYD是無定形聚集體，YFD和DFY是納米纖維，而DYF則是晶體。

隨后進行的酪氨酸酶催化的氧化和聚合反應，研究人員發現每種自組裝體都能得到不同的聚合物產物。除了顏色不同之外，性質也不盡相同。例如，FYD三肽形成了米色的聚合物，它的紫外吸收是其他聚合物的三倍；DFY三肽形成了棕黑色片狀聚合物，其電荷存儲能力為其他聚合物的三倍；而DYF三肽形成了紅棕色球形聚合物顆粒，水溶性要優于其他聚合物。這些可調可變的性質，無疑讓這種生物聚合物材料的應用前景一片光明。

麻省理工學院Markus J. Buehler課題組研究黑色素的專家Chun-Teh Chen博士認為這項研究是第一個使用三肽來合成類黑色素聚合物的研究，為合成具有可調控性質的類黑色素聚合物開辟了新方向。

Ulijn教授也表示，基于小肽的生物材料較為常見，比較容易大規模生產，在應用于生物醫藥和化妝品時也比較容易通過監管機構的審批。他們團隊已經提交了專利申請，并開始與化妝品公司討論如果在化妝品中使用這種可以防止紫外線輻射和自由基損傷的生物聚合物材料。

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