1981年《Science》报道, 海洋中的青口贝之所以能够牢牢地吸附在有机物、无机物表面, 就是因为其分泌的足丝蛋白中富含多酚类物质。多酚类物质扮演了胶黏剂的角色, 与胶原纤维相互作用, 极大地增强了足丝蛋白的强度。由此可见, 多酚基团对于增强蛋白质的强度具有独特的作用。然而, 与此相悖, 提到与蛋白质的相互作用这一话题, 多酚类物质最为引人瞩目的特性还得要算其能够抑制低浓度的蛋白质淀粉样纤维的形成, 或者改造、切断已经成型的蛋白质淀粉样纤维。因此, 天然多酚类物质在预防和治疗与淀粉样纤维相关联的疾病方面显示出很大的潜力。这些疾病主要包括神经系统疾病(帕金森症、阿尔默茨海默症)、糖尿病等。先前有关多酚抑制淀粉样纤维的研究结论与自然界中青口贝分泌的多酚黏蛋白作用机制之间存在矛盾。基于这一悖论, 我们试图探究, 多酚与高浓度的淀粉样纤维相互作用是否会形成复杂的多层次结构?

大分子通过交联作用, 在空间形成饱含水分的三维立体网状多层次结构, 被称为水凝胶。水凝胶已经成为在食品、生物医药、传感器、柔性电子和催化载体等领域被广泛应用的一种功能性材料。近年来, 由可逆相互作用交联形成的可变形水凝胶在生物医药领域尤为引人关注。已有的研究工作主要通过化学接枝的方法改性聚合物, 形成自身能够非共价结合的聚合物网状结构。另外一类构建水凝胶的方法是, 通过化学改性低分子质量凝胶剂, 使其自组装形成一维结构, 这些一维结构之间相互交联, 形成空间立体三维网状结构。从目前已有的凝胶形成机制来看, 主要是通过改性的大分子和低分子质量凝胶剂自身的“内源性”氢键作用、疏水作用、π-π共轭作用驱动分子自组装, 形成立体网状结构。但是, 化学合成反应的步骤繁琐、费时耗力, 还要使用有毒有害的化学试剂和溶剂等。化学合成产物自身的生物安全性也越来越受到人们的关注。

蛋白质淀粉样纤维是由蛋白质(多肽)自组装形成的一种纳米纤维, 属于蛋白质的一种有序聚集体, 直径为2~8 nm, 长度可以达到20~30 μm。生物体内的淀粉样纤维可能与前面所提及的疾病相关。但是, 也有越来越多的研究发现淀粉样纤维可能与这些疾病的发生并无关联。最近, 哈佛大学的研究表明, 人体大脑中淀粉样纤维的过度形成, 能够帮助大脑清除入侵的致病菌, 保护大脑免受感染。由于淀粉样纤维具有独特的高比表面积和机械强度, 其作为模版或者结构单元在构建有序的纳米材料方面显示出独特的价值。在一定的制备条件下, 食品球蛋白(包括肽聚糖类水解酶等)能够在体外形成淀粉样纤维。应用淀粉样纤维构建水凝胶体系是其常见的应用之一。目前已有的研究都是向淀粉样纤维体系中添加盐, 或者是带电荷的金属纳米颗粒, 通过静电相互作用, 诱导淀粉样纤维形成凝胶。

多酚是水果、蔬菜、绿茶和其他天然产物中普遍存在的植物化合物。多酚可以粗略地分为黄酮类和非黄酮类。黄酮类化合物具有C6—C3—C6的基本分子骨架, 主要包括黄酮醇、黄酮、黄烷-3-醇等亚类。近年来, 越来越多的研究发现, 多酚类物质能够在预防慢性疾病方面发挥作用, 特别是预防肿瘤、心血管疾病、神经退行性疾病等。多酚与疾病淀粉样多肽相互作用, 引导其形成无序和无定形的聚集体, 从而抑制淀粉样纤维的形成, 发挥预防疾病的作用。表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)是绿茶中含量最高、生物活性最强的多酚类物质。相比于其他多酚类物质, EGCG具有高水溶性(33.3~100 g·L^-1), 并且具有很强的改造、重塑成型淀粉样纤维的能力。

然而, 我们的研究结果发现, 将所选取的10种不同的多酚类小分子化合物(黄酮类、非黄酮类)分别添加到处于液晶态的球蛋白淀粉样纤维超分子(高浓度)体系中, 不但没有破坏淀粉样纤维结构, 反而诱导其形成了水凝胶(图 1)。所用的多酚小分子的疏水性越强, 诱导形成水凝胶所需要的多酚浓度越低, 并且形成凝胶所需要的时间越短。对于水溶性较强的茶叶黄酮类物质(如EGCG)而言, 去除其分子结构中的1个羟基基团, 会略微降低其与淀粉样纤维的结合常数, 并且相应降低其诱导形成的水凝胶的机械强度; 当去除其分子结构中的1个苯环基团时, 会极显著降低其与淀粉样纤维之间的结合常数, 以及其所诱导形成的凝胶强度。因此, 我们归纳多酚与淀粉样纤维之间的相互作用主要是疏水作用、π-π共轭作用和氢键作用。

	图 1 多酚驱动食品球蛋白淀粉样纤维自组装形成广谱抗菌水凝胶的示意图[1] Figure 1 The schematic of polyphenols-binding amyloid fibrils prepared from food globular proteins self-assemble to hydrogels with broad-spectrum antibacterial activities[1]
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我们探讨了多酚诱导蛋白质淀粉样纤维形成水凝胶的作用是否具有对蛋白质的特殊选择性。我们在由2种不同的球状肽聚糖水解酶制备形成的淀粉样纤维体系中, 均发现多酚能够诱导其形成水凝胶。由此说明, 多酚诱导液晶态淀粉样纤维形成水凝胶, 不存在对于蛋白质以及氨基酸序列的特殊选择性。这种与多酚之间的相互作用很可能是取决于淀粉样纤维的结构特征。应用原子力显微镜观测微观结构发现, 多酚吸附到淀粉样纤维表面, 驱动了蛋白质纤维自组装, 形成了空间三维立体网络聚集体。多酚诱导蛋白质淀粉样纤维形成的水凝胶具有可逆变形性和良好的耐热性能。

我们进一步的研究发现, 这种多酚诱导淀粉样纤维水凝胶对多种革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有广谱的抗菌作用, 尤其是对多药耐药菌同样具有抗菌作用。经过分析, 我们发现这种广谱的抗菌作用主要源于淀粉样纤维所诱导的微生物凝聚作用, 从而破坏微生物的细胞结构。最近, 《Science Translational Medicine》(2016年)和《Nature》(2017年)分别报道了淀粉样纤维保护大脑免受感染, 以及肠道中IgA免疫球蛋白保护肠道免受感染, 也都是通过诱导入侵的致病菌的凝集作用而清除致病菌。我们首次发现, 在体外应用食品球蛋白从头合成的淀粉样纤维具有同样的广谱抗菌机制。虽然我们应用的食品球蛋白属于肽聚糖水解酶类, 但是试验测定发现, 由这一类水解酶制备而形成的淀粉样纤维已经丧失了对糖肽键的水解活性。因此, 抗菌作用及其机制主要还是源于蛋白质淀粉样纤维的物理结构特性, 包括其立体构象、表面电位、疏水性等。

由于这种淀粉样纤维长度只有20~30 μm, 而正常人体细胞的尺度大小一般在20 μm左右, 它们在诱导致病菌(长度一般为2~3 μm)凝聚的同时, 对正常的人体细胞毫无影响, 因此安全可靠。这项技术不仅可以运用于食品安全领域, 而且在医药行业也将会有很好的应用前景。目前已经发现很多肠道疾病的发生, 比如溃疡和癌变等, 与微生物感染有关。同时, 小肠部位不易给药, 更加不易长时间持有药物。这项研究中的水凝胶物质恰好适合在小肠pH值环境下形成, 能够附着在肠道表面, 延长抗感染作用的时间。因此, 对于慢性疾病而言, 这种完全食品级的复合水凝胶物质可能比长期用药更加合适、安全。

我们的研究完善了多酚与蛋白质淀粉样纤维相互作用的理论, 发现在高浓度淀粉样纤维条件下, 添加多酚能够通过“外源性”疏水作用、π-π共轭作用、氢键作用, 驱动淀粉样纤维的自组装, 形成具有广谱抗菌作用的水凝胶。本研究应用纳米技术, 通过改变食品组分的存在方式(球蛋白转变成淀粉样纤维), 以及食物组分之间的相互作用, 调节食品品质, 保障食品安全。同时, 所构建的完全食品级的多酚-蛋白质纤维复合软物质在生物医药领域也具有较大的应用潜力。该成果在《ACS Nano》以“Polyphenol-binding amyloid fibrils self-assemble into reversible hydrogels with antibacterial activity”为题长文发表。