生物活性建構單元所形成之自組裝結構及其應用

具有生物活性功能分子的超分子奈米結構已被積極探索，並可作為生物技術 領域中有希望的材料。這類生物材料如此受歡迎的主要原因是它們為奈米尺寸，

從生物系統的角度來看，奈米等級的物體比大部分細胞都小得多，尺寸上相似於 亞細胞組分 (蛋白質和 DNA)、細胞胞器 (粒線體、溶酶體、核醣體和細胞骨架) 和

微生物 (病毒)。而大部分真核細胞的直徑約在數十微米左右，因此這些亞微米等 級的生物材料可被看做生物奈米結構。也因為他們很小，奈米尺度結構研究已成 為增長最快的科學領域之一，此結構在許多領域中的應用潛力也是無限的。

具有生物活性的合成奈米結構是由功能性的建構單元體 (functional building block，亦即組成的化合物) 組裝而成，而此建構單元體包含三部分：具有生物活 性部分 (bioactive function segment) 、自組裝部分 (self-assembling segment) 和連 接這兩部份之連接鏈 (linker)。不同的建構單元體於水溶液中可藉由單一非共價鍵 作用力或其組合自組裝成不同形態的奈米結構，如奈米片狀 (nano-sheet)、β-帶狀 (β-ribbon)、囊狀 (vesicle)、微胞狀 (micelle) 與圓柱狀 (cylinder) 等，如圖 1-7 所 示。⁴¹這種由下而上 (bottom-up) 的自組裝過程，可將眾多的生物功能性分子分散 至奈米結構表面上，具有多價效應 (multivalent effect，MVE)。多價效應通常定義 為與單個生物活性分子給出的貢獻總和相比，多個生物活性分子連接到同一骨架 上之單位化合物所引起的生物反應較大，舉例來說，若單一分子所能達到的抑制 作用為 1，四個單一分子單獨作用之抑制作用為 4，但接在同一骨架上之四個單一 分子的抑制作用卻為 200，如圖 1-8 所示。⁴²

圖 1-7 具有生物活性功能分子組成 (上端紅色為具有生物活性之基團，中端綠色 為連接鏈，下端橄欖綠為自組裝功能基團) 和其藉由非價作用力自組裝成不同的奈 米結構示意圖。⁴¹

圖 1-8 多共價效應示意圖。⁴²

依據不同生物活性的需求，可將建構單元體中生物活性部分置換成不同基團，

如多肽 (polypeptide)、蛋白質 (protein) 和碳水化合物 (carbohydrates) 等。2010 年 Hamachi 教授及其研究團隊將會和蛋白質結合的配體 (ligand) 作為生物活性部 分，螢光團作為自組裝部分，改變不同配體或螢光團，形成一系列能偵測特定蛋 白質之 turn-on 螢光探針。⁴³螢光單體在水溶液中會聚集成螢光團朝內的自組裝結 構，此時螢光團因聚集而造成螢光淬滅 (signal off)，當配體和目標蛋白藉由蛋白 質-配體作用力 (protein-ligand interaction) 結合時，會使自組裝結構崩解導致螢光 增強 (signal on)，如圖 1-9 所示。這些具有自組裝功能之超結構不僅可以運用在蛋 白質偵測上，也可以運在在小分子偵測、藥物傳遞或基因傳遞等生物領域上。

圖 1-9⁴³ (a) 自組裝 turn-on 螢光探針偵測特定蛋白之感測機制示意圖。(b) 一系 列蛋白質螢光探針之分子結構。