氨基酸生物金屬有機(jī)框架的構(gòu)建及在生物領(lǐng)域的應(yīng)用*

侯夢(mèng)楠，王柏文，張姬晴，劉圣楠，張茂芳，楊樹凱，崔培培

(德州學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，山東 德州 253023)

1995年，Yaghi等首次提出金屬有機(jī)框架(Metal-Organic Framework，簡(jiǎn)稱MOF)概念，自此金屬有機(jī)框架作為一種新型多孔材料得到了廣泛深入的研究[1-3]。隨著MOF與生命科學(xué)之間的交叉融合、相互滲透，人們不僅限于關(guān)注MOF的結(jié)構(gòu)、追求大的比表面積和孔容量，而且更關(guān)注MOF與生物分子的相互作用，從活性位點(diǎn)、主客體作用等多個(gè)方面研究MOF與生物體相互作用的分子機(jī)制、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)平衡等，從而產(chǎn)生新的研究方向。生物金屬有機(jī)框架(Biological Metal-Organic Framework，簡(jiǎn)稱BioMOF)應(yīng)運(yùn)而生。

BioMOF通常是指基于生物分子構(gòu)筑的金屬有機(jī)框架。從結(jié)構(gòu)上分析，自然界中絕大多數(shù)生物分子均含有O或N等可以與金屬離子配位的配位原子，理論上可以與金屬離子形成配合物。金屬離子的豐富性以及配位方式的多樣性賦予了這種新型材料優(yōu)異的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，在生物載藥、藥物緩釋、熒光檢測(cè)、分子探針等領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用前景[4-6]。目前，構(gòu)筑BioMOF的生物分子主要有：氨基酸、核堿基、多肽、蛋白質(zhì)等。本論文主要對(duì)以氨基酸為配體構(gòu)筑的BioMOF進(jìn)行綜述，主要從配位模式及生物應(yīng)用兩個(gè)方面進(jìn)行論述。

1 氨基酸

氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位，賦予蛋白質(zhì)特定的分子結(jié)構(gòu)形態(tài)，使其具有生化活性。氨基酸分子結(jié)構(gòu)中同時(shí)含有氨基(—NH2)和羧基(—COOH)，并且氨基和羧基都直接連接在同一個(gè)—CH—結(jié)構(gòu)上，可以與金屬離子配位形成BioMOF。以簡(jiǎn)單的氨基酸為例，金屬離子可以與氨基部分的N以及羧基部分的O分別或同時(shí)配位(圖1)。羧基部分負(fù)電荷密度較大，與金屬離子的配位能力較強(qiáng)，能夠提供多樣的配位模式。此外，羧基部分還可以與金屬離子形成金屬羧酸鹽簇或橋梁結(jié)構(gòu)，增加主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛性。尤為重要的是，氨基和羧基還可以被當(dāng)作氫鍵受體或氫鍵給體，為主客體結(jié)構(gòu)構(gòu)建的研究提供可能。

圖1 氨基酸與金屬離子潛在的配位模式

選用氨基酸為配體的優(yōu)點(diǎn)還有很多，比如：①該類配體既具有羧酸配體與金屬離子配位能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有含N配體抑菌性強(qiáng)的潛力。②氨基酸作配體本身就具有很多生物活性，不僅參與人體的代謝，而且在醫(yī)學(xué)上可用于治療肝臟疾病、消化道疾病、心血管病、呼吸道疾病等；在農(nóng)業(yè)上也可對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育起到促進(jìn)作用，配合物合成后有利于生物活性相關(guān)性質(zhì)的拓展。③氨基酸種類多，簡(jiǎn)單易得，如天冬氨酸，賴氨酸，丙氨酸等；價(jià)格便宜，方便購(gòu)買，也節(jié)約了合成配體的時(shí)間。④氨基酸是生物酶、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成單元，是一種無(wú)毒、無(wú)污染的生物配體，與稀土離子結(jié)合形成多樣化狀態(tài)的稀土氨基酸配合物[7-10]。

氨基酸及其衍生物在自然界中存在較多，經(jīng)蛋白質(zhì)水解后得到的氨基酸即α-氨基酸就有22種，如甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等，均可作為配體[11]。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，就基本天然氨基酸而言，可與金屬離子通過(guò)配位相互作用形成生物配位聚合物的有：丙氨酸(Ala)、絲氨酸(Ser)、半胱氨酸(Cys)、谷氨酸(Glu)、組氨酸(His)、甘氨酸(Gly)、酪氨酸(Tyr)等等。

1.1 丙氨酸

制備同手性MOF的最佳方法是選擇手性配體作為主要連接體。Yang等[12]選用D-丙氨酸和L-丙氨酸作為連接體，與Ni2+離子一起合成了相同拓?fù)銶OF。配體丙氨酸是對(duì)映體，產(chǎn)生的MOF為對(duì)映異構(gòu)，一個(gè)Ni2+離子中心與4個(gè)D/L-丙氨酸分子連接，配位數(shù)為6，是以Ni2+離子為中心的[NiO4N2]八面體結(jié)構(gòu)(圖2)。其中，兩個(gè)丙氨酸的羧基和氨基分別提供氧和氮原子與Ni2+離子形成一個(gè)平面，軸向位置的兩個(gè)氧原子是由丙氨酸羧基提供。相鄰的Ni2+離子中心通過(guò)丙氨酸配體的相互連接能夠形成二維的丙氨酸-MOF網(wǎng)絡(luò)。2019年，澳大利亞莫納什大學(xué)王煥庭教授課題組[13]報(bào)道了一種用于高效手性分離的新型手性MOF聚合物混合基質(zhì)膜。因此，這種手性MOF可以在手性分子傳感和分離中找到應(yīng)用。

對(duì)稱性代碼：(a)-x+2，y，-z+1；(b)-z+1/2，-x+3/2，-y+3/2；(c)-z+3/2，-x+3/2，y-1/2圖2 Ni2+離子周圍丙氨酸配體的配位模式

1.2 絲氨酸

絲氨酸是同時(shí)含有—OH、—COOH和—NH2基團(tuán)的特殊分子，是典型的極性氨基酸之一。Tan等[14]以Zn(NO3)26H2O、L-絲氨酸、對(duì)苯二甲酸(H2bdc)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)為原料，在 120 ℃ 下合成了Zn4(L-Ser)2(bdc)6DMF。Zn2+離子采取5配位，具有扭曲的三角雙金字塔幾何結(jié)構(gòu)。一個(gè)Zn2+離子分別與來(lái)自三個(gè)絲氨酸的羥基和羧基氧原子以及其中一個(gè)氨基氮原子結(jié)合，對(duì)苯二甲酸中的羧基氧原子也參與配位(圖3)。目前，對(duì)基于絲氨酸的多孔三維MOF材料的探索甚少，市場(chǎng)上現(xiàn)有的對(duì)映純絲氨酸構(gòu)建的MOF在對(duì)映選擇性催化和分離等同手性應(yīng)用方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)絲氨酸具有的極性基團(tuán)，其參與構(gòu)成的MOF材料可能為CO2捕獲和選擇性分離開辟新的途徑。

對(duì)稱性代碼：(a)x，y，z+1圖3 Zn2+離子周圍色氨酸配體的配位模式

1.3 半胱氨酸

半胱氨酸的兩種對(duì)映體都用作螯合配體并形成金屬配合物[15]。Ferrer等[16]將L-半胱氨酸(簡(jiǎn)稱CYS)、ZnCO3的混合物在沸水中連續(xù)磁力攪拌，通過(guò)蒸發(fā)過(guò)飽和溶液制得Zn(CYS)2。Zn(CYS)2晶體結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱單元以二硫化物鍵為中心，其鏈與兩個(gè)鋅離子相連。Zn2+離子采取6配位，八面體構(gòu)型，與4個(gè)半胱氨酸結(jié)合，氨基的氮原子和羧基的一個(gè)氧原子與鋅離子結(jié)合，另外一個(gè)氧原子由第二個(gè)氨基酸的羧基提供(圖4)。胱氨酸的兩半作為一個(gè)雙齒配體與一個(gè)Zn2+離子配位，并作為一個(gè)單齒配體與另一個(gè)Zn2+離子結(jié)合。與氨基酸配體和金屬離子之間形成的鍵相比，兩個(gè)相鄰氨基酸配體之間形成的鍵則是傾向于提高M(jìn)OF的穩(wěn)定性，且兩個(gè)相鄰L-半胱氨酸分子之間還具有二硫鍵(S—S)，這使Zn(CYS)2具有更好的穩(wěn)定性。這種MOF可以作為金屬蛋白活性位點(diǎn)的模型，具有多種活性，如催化功能等。

對(duì)稱性代碼:(a)-x+2,y-1/2,-z+3/2;(b)x-1/2,-y+3/2,-z+1;(c)-x+3/2,-y+2,z-1/2圖4 Zn2+離子周圍半胱氨酸配體的配位模式

1.4 谷氨酸

谷氨酸因自身特有的官能團(tuán)，能夠?yàn)闃?gòu)建單元提供兩個(gè)羧基和手性配位模式；谷氨酸也被作為一種多齒配體用于組裝類似沸石的3D網(wǎng)絡(luò)，且金屬-谷氨酸復(fù)合物可用作研究金屬-蛋白質(zhì)相互作用的簡(jiǎn)單模型。Zhang等[17]以L-Glu、Co(ClO4)2·6H2O為原料在 60 ℃ 下合成[Co(L-Glu)(H2)·H2O]n，Co2+離子中心周圍的幾何結(jié)構(gòu)是偽八面體，向三角棱柱形扭曲。Co2+離子采取6配位，與4個(gè)羧酸氧原子，一個(gè)氨基氮原子和一個(gè)水分子配位，它們屬于三種不同的谷氨酸配體(圖5)。谷氨酸可以通過(guò)氨基的氮原子和羧基的氧原子與Co2+離子形成偽矩形盒型結(jié)構(gòu)，這些盒子沿著a軸和b軸通過(guò)順?lè)磪f(xié)調(diào)相互連接，形成波紋層，將單元連接成一個(gè)復(fù)雜但高度對(duì)稱的三維陣列，這能夠增強(qiáng)MOF的手性，也證明了其能形成強(qiáng)手性超分子聚集體的能力。

圖5 Co2+離子周圍谷氨酸配體的配位模式

1.5 組氨酸

L-組氨酸的咪唑基是一個(gè)很強(qiáng)的親核基團(tuán)，供出或接受質(zhì)子的速度十分迅速，與許多金屬離子中心一起形成復(fù)合單元[18]；L-組氨酸是低分子量的配體，其帶正電荷的咪唑側(cè)鏈能夠促進(jìn)金屬離子與蛋白質(zhì)的結(jié)合。Ramos等[19]以NiCl2·6H2O、L-組氨酸為原料水熱法得到雙(L-組氨酸)鎳(Ⅱ)一水合物MOF。Ni2+離子的配位數(shù)為6，是八面體構(gòu)型的中心，單個(gè)Ni2+離子與兩個(gè)L-組氨酸配體結(jié)合，L-組氨酸提供兩個(gè)氮原子(分別來(lái)自咪唑基和氨基)和一個(gè)羧基氧原子，其他L-組氨酸遵循相同的配位模式(圖6)。其中，組氨酸中咪唑基團(tuán)的參與，增強(qiáng)了配體與金屬離子的配位數(shù)并穩(wěn)定了框架結(jié)構(gòu)。該MOF具有手性和對(duì)映選擇性，能優(yōu)先吸附(S)-2-丁醇異構(gòu)體，可用于手性藥物的分離。

圖6 Ni2+離子周圍L-組氨酸配體的配位模式

1.6 甘氨酸

氮基配體的使用在構(gòu)建MOF方面變得越來(lái)越重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)跉怏w和藥物吸附方面具有更大的潛力。使用氨基酸作為連接分子也是開發(fā)此類框架的一種新策略。Sattar等[20]以甘氨酸和氯化銅為原料，水熱法合成出[Cu(C2H4NO2)2(H2O)]n并命名為Bio-MOF-29。在每個(gè)不對(duì)稱單元中，Cu2+離子與一個(gè)水分子和兩個(gè)雙齒甘氨酸配體配位。其中一種甘氨酸的氮原子和一個(gè)氧原子與Cu2+離子螯合，從而形成穩(wěn)定的五元環(huán)。另一種甘氨酸配體通過(guò)氮和氧原子與銅在正方形平面中配位，由于另一種O原子的橋接模式，該配體也起到連接體的作用，從而完成Cu2+離子周圍扭曲的八面體幾何結(jié)構(gòu)(圖7)。Sattar利用鹽酸特拉唑嗪、替米沙坦、格列美脲和瑞舒伐他汀這四種藥物，對(duì)Bio-MOF-29進(jìn)行了體外藥物吸附研究。藥物分子可以吸附在孔中且Bio-MOF-29在水中浸泡幾天后也不會(huì)損失框架結(jié)晶度。Bio-MOF-29的體外藥物吸附將為體內(nèi)藥物遞送開辟新的途徑。

1.7 酪氨酸

酪氨酸具有的芳香側(cè)鏈基團(tuán)會(huì)使生成的MOF具有穩(wěn)定性。2012年，Zhou等[21]以L-酪氨酸和鈷為原料，水熱法合成了[Co(L-Tyr)]n，是一種具有三維結(jié)構(gòu)的手性配位聚合物。在結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)不同的L-Tyr片段以相同的方式協(xié)調(diào)金屬原子(圖8a)，這兩個(gè)片段通過(guò)羧酸氧原子、氨基氮原子和μ-苯氧基氧原子配位四個(gè)金屬原子，因此每個(gè)L-Tyr具有5個(gè)配位鍵連接到4個(gè)金屬原子，這是迄今為止記錄的最高配位數(shù)。Co2+具有兩種配位方式。Co2由兩個(gè)羧酸氧原子、兩個(gè)μ-苯氧基氧原子以扭曲的四面體幾何配位，氧原子分別來(lái)自4個(gè)不同的酪氨酸配體；Co1在Co2的基礎(chǔ)上多了兩個(gè)氮原子參與配位，因此是扭曲的八面體幾何中心(圖8b)。[Co(L-Tyr)]n還具有很重要的磁性，因?yàn)樗哂泄蚕淼乃拿骟w和八面體幾何結(jié)構(gòu)，這促進(jìn)了鐵磁交換相互作用，從而提高了L-tyrCo MOF的磁性能。

2 氨基酸生物金屬有機(jī)框架的生物應(yīng)用

BioMOF作為MOF的一個(gè)分支，表現(xiàn)出與其相似的性質(zhì)。不僅在氣體吸附、分離、純化和傳感方面具有實(shí)際應(yīng)用，還具有一些有前途的生物應(yīng)用，如生物載藥、熒光傳感、生物抑菌和手性分離等。

2.1 生物載藥

由于高載藥能力和優(yōu)異的生物相容性，使BioMOF在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中深受研究。以體外藥物裝載為例，2018年，Sattar等[22]報(bào)道了由賴氨酸和錳合成的納米bio-MOF-7，以及由母體納米bio-MOF-7和金屬銅合成的Cu@納米bio-MOF-7復(fù)合材料。納米bio-MOF-7對(duì)鹽酸曲美他嗪的體外藥物吸附高達(dá) 0.073 g/g，且從材料中釋放的時(shí)間可以達(dá)到 3 d；Cu@納米bio-MOF-7復(fù)合材料的吸附量高達(dá) 0.195 g/g，藥物的釋放長(zhǎng)達(dá) 5 d，且復(fù)合材料的性能優(yōu)于母體納米bio-MOF-7。雖然BioMOF在藥物遞送方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能[23-24]，但藥物裝載效率仍然不高。為了促進(jìn)藥物的滲透吸收，有效地提高藥物的生物利用度和藥物裝載效率，對(duì)藥物和BioMOF之間的相互作用機(jī)制是下一步需要研究的方向。

2.2 熒光傳感

近年來(lái)，具有特定功能的BioMOF由于其多樣的結(jié)構(gòu)而顯示出廣泛的發(fā)光性能，又兼有結(jié)合位點(diǎn)多、低毒，以及生物相容性好等特點(diǎn)，引起了對(duì)生物傳感器的極大興趣。葛亞芳等[25]通過(guò)利用L-苯丙氨酸和L-丙氨酸修飾的手性芳香多羧酸有機(jī)配體合成的過(guò)渡金屬配合物都具有強(qiáng)的熒光發(fā)射，且溶劑DMF、DMA、丙酮以及金屬離子Fe3+離子對(duì)鎘配合物的熒光有很強(qiáng)的猝滅效應(yīng)，使該配合物在對(duì)DMF、DMA、丙酮和金屬離子Fe3+離子實(shí)施熒光檢測(cè)方面具有應(yīng)用價(jià)值。葉繁衍等[26]以絲氨酸為有機(jī)配體和過(guò)渡金屬Cu2+離子合成的新型BioMOF具有能夠吸附核酸和淬滅熒光的性質(zhì)，并利用Ser-Cu BioMOF納米材料與熒光適配體構(gòu)建了一種新型納米適配體傳感器，用于檢測(cè)白菜中農(nóng)藥殘留。該方法對(duì)水胺硫磷在0～0.8 μg/mL 范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，且檢測(cè)限為 82 ng/mL，這使納米適配體傳感器在食品安全檢測(cè)中具有較強(qiáng)的實(shí)用性。由于BioMOF材料為新型材料，在各方面的應(yīng)用還較少，為了更好的發(fā)揮BioMOF材料的價(jià)值，在未來(lái)應(yīng)多開展基于生物熒光傳感器的研究。

2.3 生物抑菌

隨著當(dāng)下疾病的蔓延，耐抗生素微生物的數(shù)量不斷增加，開發(fā)具有高效抗菌特性的產(chǎn)品已勢(shì)在必行。Aarthi等[27]以L-苯丙氨酸為添加劑，得到的亞穩(wěn)態(tài)α和β晶體的L-谷氨酸多晶型晶體對(duì)分離的革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌具有顯著的抗菌活性。Emam等[28]合成的Cu-BTC MOF對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌表現(xiàn)出良好的生物活性，且Cu-BTC MOF的生長(zhǎng)導(dǎo)致生物殺滅合成織物的生產(chǎn)且沒(méi)有任何生態(tài)毒性影響。Wojciechowska等[29]以L-精氨酸和4，4′-聯(lián)吡啶為配體合成的新型Cu BioMOF對(duì)革蘭氏陽(yáng)性和革蘭氏陰性細(xì)菌菌株表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗微生物活性，且Cu BioMOF比標(biāo)準(zhǔn)抗菌劑4，4′-聯(lián)吡啶表現(xiàn)出更好的活性。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因極有可能與分子配位復(fù)合物的生物活性有關(guān)，配位離子增加了化合物的親脂性，增強(qiáng)了滲透微生物細(xì)胞膜的能力，這些特征也被認(rèn)為是它們比母體配體活性高的原因。到目前為止，BioMOF的抑菌機(jī)制仍需深入研究并闡明。此外，如何進(jìn)一步提高環(huán)境友好型BioMOF材料的抗菌活性是未來(lái)抑菌材料研究的努力方向。

2.4 手性分離

手性對(duì)映體的分離在醫(yī)藥和生命科學(xué)中有著重要的作用，但由于對(duì)映體具有相同的物理和化學(xué)性質(zhì)，使其分離具有極大挑戰(zhàn)。手性MOF具有各種手性連接體，可以更好地與手性分子相互作用，從而在對(duì)映體選擇性吸附和分離方面具有很好的潛力[30]。Martí-Gastaldo等[31]制備了一種基于三肽(Gly-L-His-Gly)的手性三維銅基MOF材料—Cu(GHG)，該框架的一維貫穿孔道中包含羧基、酰胺基、氨基和咪唑基，并且孔徑尺寸大于 2 nm，能夠允許客體分子擴(kuò)散進(jìn)入手性孔道。(-)-麻黃堿可與骨架中甘氨酸形成弱的氫鍵作用，(+)-麻黃堿可與骨架中組氨酸形成強(qiáng)的氫鍵作用，同時(shí)(±)-麻黃堿都與甘氨酸中氨基和羧基有一定作用，由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)(+)-麻黃堿的優(yōu)先吸附。王煥庭課題組[13]將氨基酸(L-His或L-Glu)通過(guò)共價(jià)修飾引入到MIL-53-NH2骨架上合成了兩種手性MOF混合基質(zhì)膜材料—MIL-53-NH-L-Glu和MIL-53-NH-L-His。將MIL-53-NH-L-His、MIL-53-NH-L-Glu與聚醚砜PES混合，并通過(guò)對(duì)混合基質(zhì)膜的MOF負(fù)載量的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)外消旋體1-苯基乙醇的高效手性拆分效果。

3 總結(jié)與展望

綜上可知，根據(jù)特定氨基酸的配位性質(zhì)選擇合適的金屬離子，可以較容易地獲得特定應(yīng)用所需的BioMOF。同時(shí)，多齒氨基酸配體可以增加MOF網(wǎng)絡(luò)的維度。通過(guò)使用氨基酸作為配體來(lái)獲得環(huán)境友好型BioMOF，也可與其他配體一起使用，以提高穩(wěn)定性并加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。BioMOF作為MOF家族之一的重要成員，基于其特殊的結(jié)構(gòu)和功能，在生物應(yīng)用中已擴(kuò)展到生物醫(yī)學(xué)、生物傳感器、抗菌應(yīng)用等多個(gè)方面。然而，在未來(lái)應(yīng)用研究中還有一些問(wèn)題需要解決，如提高BioMOF的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性)，制備更多納米尺寸的BioMOF，結(jié)合BioMOF來(lái)合成多功能材料，等等。相信通過(guò)生物化學(xué)、生物醫(yī)藥、化學(xué)等學(xué)科的交叉合作，進(jìn)一步擴(kuò)大對(duì)BioMOF的研究，有望使BioMOF在生物學(xué)領(lǐng)域中得到更廣闊的應(yīng)用。