Peptide Nanophotonics: From Optical Waveguiding to Precise Medicine and Multifunctional Biochips

Optical waveguiding phenomena found in bioinspired chemically synthesized peptide nanostructures are a new paradigm which can revolutionize emerging fields of precise medicine and health monitoring. A unique combination of their intrinsic biocompatibility with remarkable multifunctional optical properties and developed nanotechnology of large peptide wafers makes them highly promising for new biomedical light therapy tools and implantable optical biochips. This Review highlights a new field of peptide nanophotonics. It covers peptide nanotechnology and the fabrication process of peptide integrated optical circuits, basic studies of linear and nonlinear optical phenomena in biological and bioinspired nanostructures, and their passive and active optical waveguiding. It is shown that the optical properties of this generation of bio‐optical materials are governed by fundamental biological processes. Refolding the peptide secondary structure is followed by wideband optical absorption and visible tunable fluorescence. In peptide optical waveguides, such a bio‐optical effect leads to switching from passive waveguiding mode in native α‐helical phase to an active one in the β‐sheet phase. The found active waveguiding effect in β‐sheet fiber structures below optical diffraction limit opens an avenue for the future development of new bionanophotonics in ultrathin peptide/protein fibrillar structures toward advanced biomedical nanotechnology.     

基于RGD多肽掺杂聚吡咯-铟锡氧化物的仿生微电极构建及用于细胞生物学行为的电化学阻抗谱检测

构建一种基于RGD多肽分子掺杂聚吡咯膜修饰的铟锡氧化物微电极(PPy/RGD-ITO),并以此作为传感电极实现细胞生物学行为的电化学阻抗谱检测.采用光刻技术蚀刻感光干膜绝缘层制备ITO微电极;以含RGD模体的多肽分子作为吡咯电聚合唯一的掺杂阴离子,通过电化学共聚合方式在ITO微电极表面沉积PPy/RGD复合膜形成PPy/RGD-ITO微电极;原子力显微镜(AFM)、接触角测量仪和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分别表征PPy/RGD复合膜的表面拓扑形貌、湿润性和组成成分;人肺癌细胞株A549铺展、粘附及增殖实验考察了PPy/RGD复合膜与细胞间的相互作用;以构建的PPy/RGD-ITO微电极作为传感电极,通过电化学阻抗谱技术对A549细胞粘附增殖行为及天然抗癌药物分子重楼皂苷I的细胞毒性进行了分析.结果显示,通过简单的电化学共聚合成功将RGD分子掺杂进PPy膜内,且PPy/RGD复合膜具有优异的表面物理性能;PPy基质膜内掺杂的RGD分子保留其生物活性,相比裸ITO电极和聚4-苯乙烯磺酸钠(PSS)掺杂的PPy膜,PPy/RGD复合膜能更好地促进A549细胞的铺展、粘附和增殖;由于PPy/RGD-ITO微电极表面A549细胞形态学变化可改变电极系统的阻抗谱特征,因此通过电化学阻抗谱技术可解析A549细胞粘附增殖行为学信息,同时可定量分析重楼皂苷I细胞毒性.因此,通过简单的电化学共聚合方法将生物活性RGD分子掺杂进PPy膜内制备出的PPy/RGD膜具有优良的生物相容性,可作为一种重要的仿生电极修饰材料用于构建电子系统和细胞生物学系统的耦合界面,未来可应用于细胞生物学行为及药物筛选研究.     

类弹性蛋白多肽的分子动力学研究

类弹性蛋白多肽因其具有特殊的相变性质,故而在重组蛋白纯化方面展现出良好的应用前景,对其发生相变的机理进行研究具有重要意义.本文利用同源建模的方法构建了类弹性蛋白多肽的三维结构并进行能量优化,之后采用分子动力学模拟手段,在300 K～400 K间5个不同温度下,对含有100个氨基酸残基的类弹性蛋白多肽[KV8F-20]各进行了6 ns的模拟.模拟过程中,类弹性蛋白多肽发生疏水缩聚,初始结构变得更加紧凑,且温度越高折叠程度越大.水分子在类弹性蛋白多肽的相变行为中起到关键作用.经分析,结果发现疏水作用与水的排出在类弹性蛋白多肽发生相变过程中起到关键作用,类弹性蛋白多肽随着温度的升高,在疏水作用驱动下,其构象折叠程度因疏水缩聚而变得更大.此外,比较不同温度下蛋白的缩聚程度,推断类弹性蛋白多肽在375 K左右发生相变,这与实验观测的结果基本吻合.据此,推测该类弹性蛋白多肽变温度范围约为95℃～102℃.这对后续调控类弹性蛋白多肽的相变具有指导作用.     

枯草芽孢杆菌谷氨酰胺转氨酶的异源表达

以野生型枯草芽孢杆菌基因组DNA为模板,PCR扩增获得带有sD序列及谷氨酸棒状杆菌信号肽AS0949的BTG基因。将其与大肠杆菌-谷氨酸棒状杆菌穿梭表达载体pXMJ19连接,构建重组质粒pXMJ19-Sbtf转化谷氨酸棒状杆菌ATCC13032。经IPTG诱导后该重组茵发酵液具有交联酪蛋白的能力,表明该重组茵能够实现分泌表达。     

杂合抗菌肽MgJ抗菌活性的初步研究

采用琼脂孔穴扩散法和微量稀释法,对人工合成的杂合抗菌肽抗菌肽MgJ的抗菌活性进行研究,结果表明,抗菌肽MgJ具有较强的抑制大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的活性,对金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度(MIC)为10μg/ml,对大肠杆菌的最低抑菌浓度(MIC)为5μg/ml.     

药妆品胜肽的合成及作用机制研究进展

综述了胜肽在药妆品领域的应用、常用胜肽的合成方法及其研究进展,同时按照功能作用机理重点陈述了3类胜肽:信号类胜肽(Signal peptides)、神经递质抑制类胜肽(Neurotransmitter-inhibiting peptides)、承载类胜肽(Carried peptides)的皮肤护理作用机制.最后对我国胜肽产业的发展进行了展望.     

生物材料细胞粘附肽仿生修饰的研究进展

RGD(Arg-G1y-Asp)短肽序列是一种细胞粘附肽,能被细胞膜上的整合素识别,参与细胞与基质间的粘附.为改善合成生物材料缺乏细胞识别信号的缺点,可将含RGD序列肽经本体或表面修饰引入材料,使材料具有良好的细胞亲和性.综述了采用含RGD肽对各种合成生物材料进行仿生修饰的研究进展.     

脯氨酸肽键数据集的构建

由分辨率<0.25nm,同一性(identity)<30％的2401条肽链中计算提取了全部顺式与反式脯氨酸肽键的位置,数目分别为1221个与26401个,从而建立了一个较大规模的脯氨酸肽键数据集。统计分析了该数据集的基本特征:肽键N端残基的分布、N端残基的二面角统计、在二级结构中的分布情况、顺式肽键在脯氨酸肽键中所占比例。此数据集对于进一步研究顺反X-Pro肽键的结构、与氨基酸序列之间的关系,以及肽链折叠动力学具有重要作用。