مروری بر خوداجتماعی پپتیدها و کاربردهای آن
محورهای موضوعی : سامانه های پلیمری تحریک پذیر
سهیلا امام‌یاری
1
(دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان)
کلید واژه: خوداجتماعی مولکولی, پپتید, پلیمر, جدایی میکروفاز, نانوساختار,
چکیده مقاله :
خوداجتماعی مولکولی (Molecular Self-assembly) گردهم‌آیی آنی مولکولها یا درشت‌مولکول‌ها برای تشکیل ساختارهای اَبَرمولکولی به وسیله‌ی برهمکنشهای غیرکوالانسی است. این پدیده‌ی مهم موضوع تحقیقاتی میان‌رشته‌ای است که ظرفیت‌های کاربردی فراوانی در حوزه‌های مختلف دارد. یکی از مهمترین نیروهای پیشران (Driving Forces) خوداجتماعی مولکولی وجود خاصیت دومحیط‌دوستی (Amphiphilicity) در مولکولهای سامانه است که می‌تواند سبب جدایی میکروفاز شود و نانوساختارهای پیچیده و پایداری به وجود آورد. پپتیدهای (Peptides) خوداجتماع یکی از مهمترین دسته‌ها در میان انواع مولکولهای با قابلیت خوداجتماعی هستند. در سامانه‌های حاوی این پپتیدها رفتار غنی خوداجتماعی مشاهده می‌شود که به دلیل حضور همزمان برهمکنشهای مختلف (مانند برهمکنشهای الکترواستاتیک (Electrostatic)، آبگریزی (Hydrophobicity) و پیوند هیدروژنی) در سامانه متشکل از آنها و تنوع پیکربندی مولکولی آنهاست. درک بهتر خوداجتماعی پپتیدها سبب طراحی بهتر آنها برای تولید نانوساختارهای کاربردی‌تر خواهد شد. در این مقاله‌ی مروری، ابتدا خوداجتماعی پپتیدها و اهمیت مطالعه‌ی آن بیان می‌شود. سپس چند نمونه از پپتیدهایی که خوداجتماعی آنها به دلایل مختلف مورد توجه دانشمندان این حوزه است، مانند پپتیدهای حلقوی، پپتیدهای دومحیط‌دوست، پپتیدهای مکمل یونی (Ionic Com ple men tary Pep tides) و چند نمونه‌ی دیگر، معرفی می‌شوند. همچنین برخی کاربردها و مزایای مهم خوداجتماعی پپتیدها، که شامل ساخت‌وساز در ابعاد نانومتری، مهندسی بافت (Tissue Engineer ing)، انتقال دارو (Drug Delivery)، استفاده به عنوان حسگرهای زیستی و مطالعه‌ی بیماریهای صورتبندی (Con formational Disease) است، مرور می‌شوند.
Molecular self-assembly is the spontaneous aggregation of molecules or macromolecules into supramolecular structures with non-covalent interactions. This phenomenon is an interdisciplinary research topic that has a lot of potential applications in various fields. One of the main driving forces of molecular self-assembly is the existence of molecular amphiphilicity in the system which can cause microphase separation and create complex and stable nanostructures. Self-assembling peptides are one of the most important classes of molecules with the ability to self-assemble. The rich self-assembly behavior is observed in systems of peptides, due to the simultaneous presence of different interactions (such as electrostatic interaction, hydrophobicity and hydrogen bond) in systems consisting of them and the diversity of their molecular configuration. Better understanding of peptides self-assembly enables the better design of peptides to form functional nanostructures. In this review article, at first, peptide self-assembly and its importance are stated. Then, some examples of self-assembling peptides which have attracted the interest of scientists for various reasons, such as cyclic peptides, amphiphilic peptides, ionic complementary peptides and some other examples, are explained. Also, some important applications and benefits of peptides self-assembly, which include nanoscale construction, tissue engineering, drug delivery, applications in biosensors, and the study of conformational diseases, are reviewed.
1. 1. Boncheva M., Whitesides G. M., Making Things by Self-Assembly, MRS Bull., 30, 736-742, 2005.
2. Jones R. A. L., Soft Condensed Matter, Oxford University Press, Oxford, First ed., 2002.
3. Jing H., Wang Y., Desai P. R., Ramamurthi K. S., Das S., Lipid Flip-Flop and Desorption from Supported Lipid Bilayers is Independent of Curvature, PLoS ONE, 15, e0244460, 2020.
4. Rathore S. S., Liu Y., Yu H., Wan C., Lee M., Yin Q., Stowell M. H. B., Shen J., Intracellular Vesicle Fusion Requires a Membrane-Destabilizing Peptide Located at the Juxtamembrane Region of the v-SNARE, Cell Rep., 29, 4583-4592.e3, 2019.
5. Peyret A., Zhao H., Lecommandoux S., Preparation and Properties of Asymmetric Synthetic Membranes Based on Lipid and Polymer Self-Assembly, Langmuir, 34, 3376-3385, 2018.
6. McManus J. J., Charbonneau P., Zaccarelli E., Asherie N., The Physics of Protein Self-Assembly, Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 22, 73-79, 2016.
7. Gui H., Guan G., Zhang T., Guo Q., Microphase-Separated, Hierarchical Macroporous Polyurethane from a Nonaqueous Emulsion-Templated Reactive Block Copolymer, Chem. Eng. J., 365, 369-377, 2019.
8. Glagolev M. K., Glagoleva A. A., Vasilevskaya V. V., Microphase Separation in Helix-Coil Block Copolymer Melts: Computer Simulation, Soft Matter, 17, 8331-8342, 2021.
9. Tornesello A. L., Borrelli A., Buonaguro L., Buonaguro F. M., Tornesello M. L., Antimicrobial Peptides as Anticancer Agents: Functional Properties and Biological Activities, Molecules, 25, 2850, 2020.
10. Ghadiri M. R., Granja J. R., Milligan R. A., McRee D. E., Khazanovich N., Self-Assembling Organic Nanotubes Based on a Cyclic Peptide Architecture, Nature, 366, 324-327, 1993.
11. Hu K., Xiong W., Sun C., Wang C., Li J., Yin F., Jiang Y., Zhang M.-R., Li Z., Wang X., Li Z., Self-Assembly of Constrained Cyclic Peptides Controlled by Ring Size, CCS Chem., 2, 42-51, 2020.
12. Jian H., Wang M., Dong Q., Li J., Wang A., Li X., Ren P., Bai S., Dipeptide Self-Assembled Hydrogels with Tunable Mechanical Properties and Degradability for 3D Bioprinting, ACS Appl. Mater. Interfaces, 11, 46419-46426, 2019.
13. Hartgerink J. D., Beniash E., Stupp S. I., Self-Assembly and Mineralization of Peptide-Amphiphile Nanofibers, Science, 294, 1684-1688, 2001.
14. Sun L., Zheng C., Webster T. J., Self-Assembled Peptide Nanomaterials for Biomedical Applications: Promises and Pitfalls, Int. J. Nanomedicine., 12, 73-86, 2017.
15. Vauthey S., Santoso S., Gong H., Watson N., Zhang S., Molecular Self-Assembly of Surfactant-Like Peptides to Form Nanotubes and Nanovesicles, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99, 5355-5360, 2002.
16. Rodrigo E., Walter M., Reza M., Castelletto V., Ruokolainen J., Connon C., Alves W., Hamley I., Self-Assembled Arginine-Capped Peptide Bolaamphiphile Nanosheets for Cell Culture and Controlled Wettability Surfaces, Biomacromolecules, 16, 3180-3190, 2015.
17. Jun S., Hong Y., Imamura H., Ha B. Y., Bechhoefer J., Chen P., Self-Assembly of the Ionic Peptide EAK16: The Effect of Charge Distributions on Self-Assembly, Biophys. J., 87, 1249-1259, 2004.
18. Wu F., Fu D., Self-Assembling Peptide as a Carrier for Hydrophobic Anticancer Drug Combretastatin A4-Characterization and In Vitro Delivery, J. Comput. Theor. Nanosci., 13, 2334-2339, 2016.
19. Emamyari S., Fazli H., All-Atom Molecular Dynamics Study of EAK16 Peptide: The Effect of pH on Single-Chain Conformation, Dimerization and Self-Assembly Behavior, Eur. Biophys. J., 43, 143-155, 2014.
20. Emamyari S., Fazli H., pH-Dependent Self-Assembly of EAK16 Peptides in the Presence of a Hydrophobic Surface: Coarse-Grained Molecular Dynamics Simulation, Soft Matter, 10, 4248-4257, 2014.
21. Li B., You N., Liang Y., Zhang Q., Zhang W., Chen M., Pang X., Organic Templates for Inorganic Nanocrystal Growth, Energy Environ. Mater., 2, 38-54, 2019.
22. Wang C.-C., Wei S.-C., Luo S.-C., Recent Advances and Biomedical Applications of Peptide-Integrated Conducting Polymers, ACS Appl. Bio Mater., 5, 1916-1933, 2022.
23. Reches, M., Gazit E., Casting Metal Nanowires within Discrete Self-Assembled Peptide Nanotubes, Science, 300, 625-627, 2003.
24. Gelain F., Luo Z., Zhang S., Self-Assembling Peptide EAK16 and RADA16 Nanofiber Scaffold Hydrogel, Chem. Rev., 120, 13434-13460, 2020.
25. Gelain F., Luo Z., Rioult M., Zhang S., Self-assembling Peptide Scaffolds in the Clinic, NPJ Regen. Med., 6, 9, 2021.
26. Kisiday J., Jin M., Kurz B., Hung H., Semino C., Zhang S., Grodzinsky A. J., Self-Assembling Peptide Hydrogel Fosters Chondrocyte Extracellular Matrix Production and Cell Division: Implications for Cartilage Tissue Repair, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99, 9996-10001, 2002.
27. Hudalla G. H., Murphy W. L. Mimicking the Extracellular Matrix: The Intersection of Matrix Biology and Biomaterials, Royal Society of Chemistry, Cambridge, UK, 2016.
28. Keyes-Baig C., Duhamel J., Fung S., Bezaire J., Chen P., Self-Assembling Peptide as a Potential Carrier of Hydrophobic Compounds, J. Am. Chem. Soc., 126, 7522-7532, 2004.
29. Yemini M., Reches M., Rishpon J., Gazit E., Novel Electrochemical Biosensing Platform Using Self-Assembled Peptide Nanotubes, Nano Lett., 5, 183-186, 2005.
30. Tublin J. M., Adelstein J. M., Monte F. d., Combs C. K., Wold L. E., Getting to the Heart of Alzheimer Disease, Circ. Res., 124,142-149, 2019.
مروری بر خوداجتماعی پپتیدها و کاربردهای آن
سهیلا امام‌یاری1*
1 دانشکده فیزیک، دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان، کد پستی 66731-45137 زنجان، ایران.
چکیده
خوداجتماعی مولکولی (Molecular Self-assembly) گردهم‌آیی آنی مولکولها یا ماکرومولکولها برای تشکیل ساختارهای اَبَرمولکولی به وسیله‌ی برهمکنشهای غیرکوالانسی است. این پدیده‌ی مهم یک موضوع تحقیقاتی میان‌رشته‌ای می‌باشد که پتانسیلهای کاربردی فراوانی در حوزه‌های مختلف دارد. یکی از مهمترین نیروهای پیشران (Driving Forces) خوداجتماعی مولکولی وجود خاصیت دوگانه‌دوستی (Amphiphilicity) در مولکولهای سیستم است که می‌تواند سبب جدایی میکروفاز شود و نانوساختارهای پیچیده و پایداری به وجود آورد. پپتیدهای (Peptides) خوداجتماع یکی از مهمترین دسته‌ها در میان انواع مولکولهای با قابلیت خوداجتماعی هستند. در سیستمهای حاوی این پپتیدها رفتار غنی خوداجتماعی مشاهده می‌شود که به دلیل حضور همزمان برهمکنشهای مختلف (مانند برهمکنشهای الکترواستاتیک (Electrostatic)، آبگریزی (Hydrophobicity) و پیوند هیدروژنی) در سیستم متشکل از آنها و تنوع پیکربندی مولکولی آنهاست. درک بهتر خوداجتماعی پپتیدها سبب طراحی بهتر آنها برای تولید نانوساختارهای کاربردی‌تر خواهد شد. در این مقاله‌ی مروری، ابتدا خوداجتماعی پپتیدها و اهمیت مطالعه‌ی آن بیان می‌شود. سپس چند نمونه از پپتیدهایی که خوداجتماعی آنها به دلایل مختلف مورد توجه دانشمندان این حوزه است، مانند پپتیدهای حلقوی، پپتیدهای آمفی‌فیل، پپتیدهای مکمل یونی (Ionic Complementary Peptides) و چند نمونه‌ی دیگر، معرفی می‌شوند. همچنین برخی کاربردها و مزایای مهم خواجتماعی پپتیدها، که شامل ساخت و ساز در ابعاد نانومتری، مهندسی بافت (Tissue Engineering)، انتقال دارو (Drug Delivery)، استفاده به عنوان حسگرهای زیستی و مطالعه‌ی بیماریهای کانفورماسیونی (Conformational Disease) است، مرور می‌شوند.
واژه‌های کلیدی: خوداجتماعی مولکولی، پپتید، پلیمر، جدایی میکروفاز، نانوساختار
*پست الکترونیک مسئول مکاتبات:
1 مقدمه
خوداجتماعی مولکولی فرآیندی است که طی آن مجموعه‌ای از مولکولها یا ماکرومولکولها توسط برهمکنشهای غیرکوالانسی در یک ساختار پیچیده‌تر گردهم می‌آیند و اجتماعات اَبَرمولکولی تشکیل می‌دهند، بدون اینکه هدایت خارجی بر روی سیستم اعمال شده باشد. از بر‌همکنشهایی که می‌توانند سبب پدیده‌ی خوداجتماعی شوند می‌توان به برهمکنشهای الکترواستاتیک، وان‌در‌والس (Van der Waals)، آبگریزی و پیوند هیدروژنی اشاره کرد. مثالهای بیشماری از پدیده‌ی خوداجتماعی مولکولی وجود دارد. برای نمونه، مولکولهای پروتئینی که در ابتدا به شکل زنجیره‌های خطی در درون سلول ساخته می‌شوند، به یک ساختار سه بعدی پیچیده تا می‌خورند تا کارکرد مخصوص به خود را در سلول ایفا کنند. در مقیاس بزرگتر، اجتماعاتی از پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک (Nucleic Acids) در سلولهای زنده تشکیل می‌شوند و به این وسیله وظایف معینی را می‌توانند انجام دهند [1]. نمونه‌ای دیگر از این پدیده را می‌توان در موادی که از اختلاط آب با مولکولهای دوگانه‌دوست تشکیل می‌شوند مشاهده کرد. منشأ این نوع خوداجتماعی وجود دو نوع تمایل متفاوت در بخشهای مختلف مولکول برای برهمکنش با مولکولهای آب است و تنها نیروی پیش‌برنده برای انباشتگی مولکولها نیاز سیستم برای کمینه کردن انرژی آزاد (Free Energy) است. هنگامی که چنین مولکولهایی با غلظت کافی در آب حل می‌شوند، تلاش سیستم برای برآورده کردن این دو نوع تمایل سبب به وجود آمدن مجموعه‌ای غنی از ساختارهای ممکن مانند ساختارهای کروی، استوانه‌ای، دولایه‌ای، مایسل (Micelle) و وزیکول (Vesicle) می‌شود [2]. چند نمونه از این ساختارها که به وسیله‌ی مولکولهایی با یک سر آبدوست (Hydrophilic) و یک دم آبگریز تشکیل می‌شوند به صورت شماتیک در شکل 1 نشان داده شده‌اند. به دلیل شباهت این ساختارها به غشاهای زیستی، می‌توان از آنها به عنوان محیطی برای مطالعه‌ی پدیده‌هایی مانند حرکت فلیپ-فلاپ (Flip-Flop) [3] و همجوشی غشاء (Membrane Fusion) [4] استفاده کرد. وزیکولها می‌توانند مدلی ساده برای مطالعه‌ی سلول نیز باشند [5].
شکل 1- سه نمونه از حالتهای مختلف خوداجتماعی مولکولهای دوگانه‌دوست در محیط آبی. دولایه‌ای (a)، کروی(b) و استوانه‌ای(c).
خوداجتماعی مولکولی به چند دلیل مورد علاقه و دارای اهمیت است. اول اینکه، این پدیده در زندگی موجودات اهمیت فراوانی دارد. سلولهای بدن موجودات زنده حاوی تعداد زیادی از ساختارهای پیچیده مانند غشاهای لیپیدی، پروتئینهای تاخورده، اجتماعات پروتئینی، ماشینهای مولکولی و دیگر ساختارها است که به وسیله‌ی فرآیند خوداجتماعی تشکیل می‌شوند. دوم اینکه، به وسیله‌ی این پدیده می‌توان موادی با ساختارهای منظم تولید کرد. کریستالهای مولکولی و بلورهای مایع مثالهایی از این مواد هستند. سوم اینکه، خوداجتماعی می‌تواند یکی از روشهای تولید نانوساختارها برای کاربردهای مختلف باشد. بنابراین خوداجتماعی در محدوده‌ی وسیعی از رشته‌ها مانند شیمی، فیزیک، زیست‌شناسی، علم مواد و نانوتکنولوژی دارای اهمیت و هدف مطالعه‌ی بسیاری از دانشمندان است [6].
در این مقاله قصد داریم مروری کلی بر مفهوم خوداجتماعی پپتیدها و کاربردهای مهم آن داشته باشیم. همانطور در ادامه‌ی مقاله اشاره خواهد شد، پپتیدها در واقع پلیمرهایی کوتاه با طولهایی در حدود چند نانومتر هستند. بنابراین در ابتدا خوداجتماعی مولکولی در سیستمهای پلیمری توضیح داده می‌شود. سپس، خوداجتماعی مولکولی پپتیدها و چند نمونه از کارهایی که با پپتیدهای خوداجتماع پرکاربرد انجام شده است معرفی می‌شوند. پس از آن برخی از مزایا و کاربردهای مهم خوداجتماعی پپتیدها بیان و توضیح داده می‌شوند. بحث و نتیجه‌گیری از مباحث گفته شده نیز در آخر مقاله آورده می‌شود.
2 خوداجتماعی مولکولی در سیستمهای پلیمری
مولکولهای پلیمری محلول در آب در صورتی که از دو یا چند نوع مونومر با خواص شیمیایی مختلف، که رفتارهای متفاوتی را در برهمکنش با مولکولهای آب نشان می‌دهند، تشکیل شده باشند می‌توانند خواصی مشابه مولکولهای دوگانه‌دوست داشته باشند. به این نوع از پلیمرها کوپلیمر (Copolymer) گفته می‌شود. در کوپلیمرها بخشهای پلیمری با ویژگیهای شیمیایی متفاوت به وسیله‌ی پیوند کوالانسی به یکدیگر متصل شده‌اند [2]. از میان انواع مختلف کوپلیمرها، سه نمونه از آنها که دارای دو نوع مونومر مختلف هستند، در شکل 2 به صورت شماتیک نشان داده شده‌اند (کوپلیمرهای دو بلوکی، متناوب و پیوندی).