的里雅斯特大学 (University of Trieste) 的 SuperStructures Lab 正在探索智能、纳米结构化、水基且环境友好的生物材料，以针对当今医学最受关注的一些领域开发创新的治疗方案。我们非常高兴该校副教授 Silvia Marchesan 博士带领我们“云参观”了他们目前的研究，讲解超分子结构的自组装特性，以及对这些特性的调控为何能给医学界带来诸多令人振奋的可能。
- “超大尺度”的医学潜力
- 肽作为候选药物的机遇
对的里雅斯特团队而言，分子自组装由疏水作用驱动。疏水分子不喜欢水，因此一旦加入水中便会聚集在一起。这带来了一个备受追求的机会：确保分子不仅仅是从溶液中析出，而是彼此协同作用，相互结合并形成新的功能结构。在此过程中会形成疏水口袋。当利用肽（由氨基酸组成的短链）引发这一过程时，便可以构建各种用于催化反应的官能团，包括催化三联体、酶的催化官能团以及合成基团。
进一步而言，任何天然通常不存在的官能团以及新的催化功能，都可以被编码到结构中。有趣的是，催化活性只存在于超分子结构中，因为这些结构是依靠弱的、低能量的非共价键维系在一起的。组装时，这种活性会发挥某种功能，例如催化反应或抑制某一生物过程；而当不再需要时，结构便会解组装。找到合适的触发条件就能轻松引发这些反应——pH、温度、化学环境和光照的变化都已被证明是有效的“开关”。
这一整套理念对可持续发展同样具有积极意义。就像离开房间时关灯可以省电一样，Marchesan 博士正在研究不可逆和可逆两种开关。对于催化剂等可重复使用的组分，需要的是可逆开关；而对于催化或抗菌活性材料的最终处置，则需要不可逆开关。
“超大尺度”的医学潜力
超分子结构正在为当今一些重大医学问题提供独特的见解。正如 Marchesan 博士所解释的：
“我们的研究重点是仅由两三个氨基酸组成的短肽，也就是非常简单的分子。我们研究它们如何聚集形成不同的纳米结构，这让我们获得了一些令人振奋的发现。我们可以证明，某一特定的三肽序列能够抑制 β-淀粉样蛋白肽的纤维化。此外，还有一种氨基酸起到“阻断剂”的作用，不利于纤维的形成。将二者结合，肽便可以自组装成纳米颗粒；在 β-淀粉样蛋白肽上进行测试时，我们观察到它能抑制纤维化。通常而言，正是这种肽聚集成纤维或其他自组装状态，构成了阿尔茨海默病发病机制的核心。当然，这些实验目前仅限于体外，因此还有很长的路要走。但这是一个良好且充满希望的开端。”
这里的潜力在于，原本不具有抗菌性的简单构建单元，可以在需要时被切换为表现出抗菌活性。此外，还有可能利用不可逆开关将这类自组装体系转化为静态结构，使其即使释放到环境中也不会重新获得任何抗菌活性。这确实是令人振奋的设想！
肽作为候选药物的机遇
迄今为止，肽一直是出了名的不理想的候选药物——酶很容易将其分解，因此它们在体内无法长时间存留。然而，SuperStructures Lab 也在设法解决这一问题，方法是将 L-氨基酸（构成蛋白质的常见氨基酸）与其镜像结构结合使用。这些 D-氨基酸虽然天然存在，但要稀少得多。将这两类氨基酸组合使用，正在帮助实验室设计分子如何自组装并形成结构，而至关重要的是，这延长了材料的寿命。
他们的研究结果表明，组合使用的肽需要更长的时间才能生物降解，而且可以通过控制多个因素来精细调节降解时间，包括引入的 D-氨基酸数量、种类、位置以及超分子结构的紧密程度。L-氨基酸和 D-氨基酸在外观和反应性上非常相似，但它们具有手性：二者互为镜像却无法重合，因此存在左手型和右手型。就像一双鞋一样，它们只能与对应的“伙伴”相匹配：右脚的鞋永远不适合左脚。
手性对分子识别非常重要。在体内，分子能够相互识别，而这种生物识别机制正是药物发挥作用的基础。大多数药物都具有手性，这对于提高选择性、减少药物副作用和可能的并发症非常重要。
Marchesan 博士对这种左右手性之间的相互作用抱有浓厚兴趣。
“在体内，主要是左手型氨基酸构成左手型肽，进而形成左手型蛋白质和酶。我们正在研究，当插入一两个 D-氨基酸、内部同时存在两种镜像结构时，会发生什么。”
“这就像爱丽丝穿过镜子一样。在那本儿童故事书中，有一幅著名的黑白插图，画的是爱丽丝从现实世界穿过镜子进入仙境。起初，两边的房间看起来非常相似，随后你会开始注意到其中的差异。比如，壁炉架上的钟看起来很像，但仙境中那只钟的表盘却活了过来，露出一张笑脸。我喜欢这样来看待我们的体系：它们有一些与现实生活中相同的构建单元，也有一些稍有不同的构建单元。后者就是我们的 D-氨基酸，它们赋予体系新的功能。”
该实验室迄今的研究成果，以及他们在可持续发展方面的前瞻性思路，表明他们或许即将为 21 世纪一些重大健康问题的治疗带来新的思路。或许，我们所有人都应该和医学界一样，对超分子结构的前景满怀期待。