刷新認(rèn)知！氨基酸竟能穩(wěn)定一切“膠體體系”

在生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域，如何讓蛋白質(zhì)在溶液中保持穩(wěn)定，是一個(gè)長(zhǎng)期存在的難題。蛋白質(zhì)極易因?yàn)橥饨绛h(huán)境變化而聚集、降解，不僅影響基礎(chǔ)研究，也直接決定了藥物的有效性和安全性。幾十年來(lái)，研究者常常在制劑中加入氨基酸作為“穩(wěn)定劑”。然而，這些小分子到底是通過(guò)特殊的生物機(jī)制發(fā)揮作用，還是擁有普遍適用于各種膠體體系的“通用屬性”？科學(xué)界一直沒(méi)有明確答案。

在此，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Francesco Stellacci教授、Quy Ong、麻省理工學(xué)院Alfredo Alexander-Katz教授聯(lián)合南方科技大學(xué)羅智副教授發(fā)現(xiàn)：氨基酸的作用遠(yuǎn)不止于“營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充”。它們能以極其微弱卻普遍存在的方式，吸附在蛋白質(zhì)和納米顆粒表面，從而改變粒子間的相互作用，提升整個(gè)分散體系的穩(wěn)定性。這一發(fā)現(xiàn)不僅推翻了“氨基酸僅僅針對(duì)蛋白質(zhì)有效”的傳統(tǒng)認(rèn)知，還建立了新的理論框架，揭示了弱相互作用如何引發(fā)巨大穩(wěn)定效應(yīng)。更令人興奮的是，在小鼠實(shí)驗(yàn)中，加入氨基酸脯氨酸后，胰島素的血液利用率翻倍，顯示出潛在的臨床應(yīng)用前景。相關(guān)成果以“Stabilizing effect of amino acids on protein and colloidal dispersions”為題發(fā)表在《Nature》上，第一作者為Ting Mao, Xufeng Xu, Pamina M. Winkler, Cécilia Siri為共同一作。

從金納米顆粒到蛋白質(zhì)：脯氨酸的普遍穩(wěn)定效應(yīng)

剛開(kāi)始，研究者并沒(méi)有直接盯上蛋白質(zhì)，而是選擇了“非生物體系”——直徑約3.5 nm的金納米顆粒。這類顆粒不會(huì)發(fā)生折疊或構(gòu)象變化，因此非常適合排除“蛋白質(zhì)專屬機(jī)制”的干擾。通過(guò)冷凍電鏡，團(tuán)隊(duì)繪制出顆粒間的平均作用勢(shì)能曲線（PMF）（圖1a）。在純水中，顆粒之間存在一個(gè)淺淺的能量谷，顯示出一定的聚集趨勢(shì)。但當(dāng)向體系中加入2.0 M 脯氨酸時(shí)，這個(gè)能量屏障明顯升高（圖1b），意味著顆粒更難黏在一起。更有趣的是，這種效應(yīng)同樣出現(xiàn)在蛋白質(zhì)上。例如鐵蛋白在溶液中也有聚集傾向，而脯氨酸的加入能夠顯著提升其分散穩(wěn)定性（圖1f）。換句話說(shuō)，氨基酸并不是通過(guò)維持蛋白質(zhì)折疊態(tài)來(lái)“專門服務(wù)”，而是通過(guò)一種通用的“膠體穩(wěn)定機(jī)制”，既能保護(hù)蛋白質(zhì)，也能穩(wěn)定納米顆粒（圖1c–e）。

圖1：金納米顆粒和鐵蛋白在水與脯氨酸環(huán)境中的作用勢(shì)能曲線（PMF），顯示脯氨酸能顯著提升分散穩(wěn)定性。

二級(jí)滲透壓系數(shù)：用數(shù)字揭示氨基酸的力量

為了定量描述這種穩(wěn)定效應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)引入了一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)——二級(jí)滲透壓系數(shù) B22。它本質(zhì)上衡量粒子間的“排斥還是吸引”。B22 越大，說(shuō)明粒子越“嫌棄”彼此，體系越穩(wěn)定。結(jié)果顯示，無(wú)論是溶菌酶、牛血清白蛋白還是鐵蛋白，加入脯氨酸后，B22 都出現(xiàn)了正向變化（ΔB22 > 0）（圖2a、c、d）。更令人意外的是，即使是質(zhì)粒 DNA 和金納米顆粒這樣的非蛋白體系，也表現(xiàn)出相同趨勢(shì)（圖2e、f）。換句話說(shuō)，氨基酸對(duì)分散體系的穩(wěn)定作用幾乎是“普適的”。不僅如此，不同種類的氨基酸也都能提升穩(wěn)定性（圖2b）。這就排除了“折疊穩(wěn)定”“構(gòu)象改變”等生物特有機(jī)制，指向一個(gè)更簡(jiǎn)單的解釋：氨基酸通過(guò)弱吸附覆蓋在粒子表面，有效減少了它們之間的吸引力。

圖2：不同蛋白質(zhì)、DNA 和納米顆粒在加入氨基酸后的二級(jí)滲透壓系數(shù)變化（ΔB22），表明穩(wěn)定效應(yīng)具有普適性

理論模型：弱相互作用也能撬動(dòng)大效應(yīng)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人信服，但背后的物理規(guī)律是什么？研究團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)基于“斑點(diǎn)膠體”（patchy colloids）的理論框架（圖3）。在這個(gè)模型里，蛋白質(zhì)表面被視為帶有不同親疏水斑塊的球體。氨基酸分子像小磁鐵一樣，弱弱地吸附在這些斑塊上，相當(dāng)于“蓋住”了一部分本來(lái)可能發(fā)生吸引的區(qū)域。這種“部分屏蔽”通過(guò)朗繆爾吸附等溫式來(lái)描述，最終得出一個(gè)公式，可以預(yù)測(cè) ΔB22 隨氨基酸濃度的變化趨勢(shì)。更妙的是，這個(gè)理論不僅適用于氨基酸，還適用于短肽甚至一些非生物小分子。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示，三聚脯氨酸、四聚脯氨酸甚至一種小分子 TME，都能產(chǎn)生類似的穩(wěn)定作用（圖1g、h）。這意味著理論具有很強(qiáng)的普適性，為設(shè)計(jì)新型穩(wěn)定劑提供了工具。

圖3：理論模型示意圖，展示氨基酸如何通過(guò)弱吸附覆蓋蛋白表面斑塊，減少粒子間吸引，增強(qiáng)穩(wěn)定性

從細(xì)胞到小鼠：氨基酸的生物學(xué)后果

那么，這種通用的“穩(wěn)定效應(yīng)”是否也在生物體內(nèi)發(fā)揮作用？答案是肯定的。研究者在HeLa細(xì)胞中進(jìn)行應(yīng)激顆粒實(shí)驗(yàn)：通常情況下，高溫會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞形成大量應(yīng)激顆粒，而預(yù)先處理200 mM 脯氨酸后，應(yīng)激顆粒的數(shù)量顯著減少（圖4a–c）。這表明氨基酸可以緩解蛋白質(zhì)液–液相分離帶來(lái)的應(yīng)激反應(yīng)。更令人振奮的是小鼠實(shí)驗(yàn)。科學(xué)家們用含有1 M 脯氨酸的溶液配制胰島素，并注射到小鼠體內(nèi)。結(jié)果顯示，胰島素在血液中的可利用度幾乎翻倍（圖4d、e）。這是一個(gè)非常關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)，意味著通過(guò)簡(jiǎn)單地加入氨基酸，就可能改善蛋白質(zhì)藥物的穩(wěn)定性與療效。

圖4：生物學(xué)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：脯氨酸抑制細(xì)胞應(yīng)激顆粒形成，并在小鼠體內(nèi)顯著提高胰島素的血液利用率。

小結(jié)

這項(xiàng)研究揭示了一個(gè)長(zhǎng)期被忽視的事實(shí)：氨基酸不僅是生命的“基本構(gòu)件”，也是普適的“膠體穩(wěn)定劑”。它們通過(guò)極其微弱的相互作用，顯著改變了蛋白質(zhì)、DNA、納米顆粒等體系的穩(wěn)定性。這一發(fā)現(xiàn)為藥物制劑、食品科學(xué)乃至材料工程帶來(lái)全新思路。未來(lái)，研究人員期待基于這一理論，開(kāi)發(fā)出新一代高效穩(wěn)定劑，用于提高生物制品的穩(wěn)定性、延長(zhǎng)藥物貨架期，甚至在工業(yè)膠體體系中發(fā)揮作用。弱相互作用，或許正是強(qiáng)大效應(yīng)的源泉。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請(qǐng)?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>