我國科學家在仿生手性超分子水凝膠材料研究方面取得 了重要進展，為再生醫(yī)學和干細胞治療開辟了新方向。

對稱與手性

▲ 蝴蝶的對稱之美

自然界宛如一位神奇的藝術(shù)家，用那獨特的筆觸勾勒出一幅幅美麗的畫卷。看那翩翩起舞的蝴蝶，五彩斑斕的翅膀宛如精美的藝術(shù)品；再看那盛開的花朵，色彩艷麗，形態(tài)各異；還有那晶瑩剔透的雪花，每一片都仿佛是一幅冰晶拼圖。

如果你仔細觀察，就會發(fā)現(xiàn)蝴蝶、花朵和雪花的形態(tài)和布局都蘊含著對稱之美。對稱現(xiàn)象是大自然的一種默契，它賦予了萬物獨特的魅力和平衡感。對稱是事物、現(xiàn)象、規(guī)律、過程等客體，在一定變換條件下的不變性。

對稱有多種形式，如雪花的中心對稱和花朵的輻射對稱等。很多魚類、昆蟲等都表現(xiàn)出明顯的鏡面對稱（也稱軸對稱），它們的身體兩側(cè)在形態(tài)、顏色等方面幾乎完全相同。在我們的身體上也有一種有趣的對稱現(xiàn)象。我們的左手和右手看似一模一樣，互成鏡像，但如果把一只手疊放到另一只手上，它們無法重合。這種一個物體不能與其鏡像重疊的現(xiàn)象就被稱為手性。

生命體中的手性

自然界的生命體經(jīng)億萬年進化出的手性結(jié)構(gòu)在維持正常生理功能中發(fā)揮著不可或缺的作用。手性不僅出現(xiàn)在宏觀的物質(zhì)結(jié)構(gòu)中，在生命體中的微觀結(jié)構(gòu)中，手性也發(fā)揮著重要的作用。構(gòu)成生命體系的生物大分子大多具有手性。例如，地球上自然存在的糖以及核酸、淀粉、纖維素中的糖單元都為D型（右型），而組成生命基元的氨基酸絕大多數(shù)為L型（左型）。

一旦人體中生物分子的手性結(jié)構(gòu)發(fā)生異變，將造成多種生理障礙。例如，右旋的B-DNA是人體內(nèi)具有生物活性的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)之一，它們負責復(fù)制和轉(zhuǎn)錄遺傳信息。在一定條件下它們會異變?yōu)樽笮腪-DNA，從而可能激活某些致癌基因。

▲ B-DNA和Z-DNA

左手”天使“，右手”魔鬼“

具有手性的化合物一般有特殊的性能和用途。許多藥物分子都具有手性，這些手性分子的一對對映體通常顯示不同的生物活性。手性藥物在臨床上的應(yīng)用非常廣泛，目前，臨床上50%的藥物是手性藥物。如果忽視了藥物的手性，就會導致嚴重的后果。

20世紀60年代，曾經(jīng)出現(xiàn)了一種治療妊娠反應(yīng)的藥物沙利度胺。沙利度胺包含一對手性對映體，R-沙利度胺可作為孕婦鎮(zhèn)靜劑和止痛劑，而其手性對映體S-沙利度胺則會導致胎兒畸形。但是，生產(chǎn)該藥物的企業(yè)沒有將這一對手性分子拆分開，因孕婦服用沙利度胺導致畸形的嬰兒有數(shù)千名之多，釀成了制藥史上的悲劇。

▲手性分子

秉承自然手性精細構(gòu)型的水凝膠生物材料

幾十年來，科學家開展了關(guān)于手性分子、手性藥物對生命體影響機制的研究，探索發(fā)展了多種手性超分子體系，相關(guān)研究也兩度獲得諾貝爾化學獎。2001年，日本化學家野依良治和美國化學家威廉 ·諾爾斯、巴里·夏普萊斯因手性催化劑的開發(fā)獲得諾貝爾化學獎。2021年，德國化學家本杰明 ·利斯特和美國化學家戴維·麥克米倫因在不對稱有機催化的發(fā)展方面所做出的開創(chuàng)性貢獻獲得諾貝爾化學獎。

生命體內(nèi)的手性結(jié)構(gòu)具有多樣化和長程有序的結(jié)構(gòu)特征，它為生物材料學家提供了先進的構(gòu)筑模板。超分子組裝是仿生生命體手性結(jié)構(gòu)最有效的方法之一，但傳統(tǒng)超分子體系由于分子基元長程無序排列，手性特征難以逐級傳遞。

上海交通大學材料科學與工程學院馮傳良教授帶領(lǐng)團隊開展了十余年的研究，突破了傳統(tǒng)基元難以再現(xiàn)生命體手性精細構(gòu)型的設(shè)計瓶頸，提出了“對稱手性傳遞”的超分子組裝機理，揭示了自然手性結(jié)構(gòu)精細構(gòu)型的形成機制，發(fā)現(xiàn)了手性結(jié)構(gòu)決定細胞命運的生物功能，推動了超分子化學和生物材料領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。機理，解決了手性從分子層級性微納結(jié)構(gòu)跨尺度傳遞難的問題，制備了系列組分可調(diào)、結(jié)構(gòu)可控的中心對稱構(gòu)型手性分子。通過分子間氫鍵調(diào)控、配位鍵調(diào)控、手性位點調(diào)控、路徑調(diào)控，研究團隊實現(xiàn)了對生命體多構(gòu)型手性結(jié)構(gòu)的精準仿生。

研究團隊將具有手性結(jié)構(gòu)的水凝膠作為細胞培養(yǎng)基質(zhì)，對細胞進行二維和三維體外培養(yǎng)，首次發(fā)現(xiàn)了手性結(jié)構(gòu)調(diào)控細胞命運的現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)，手性結(jié)構(gòu)中的手性分子對細胞黏附生長有重要影響，左旋分子能促進細胞黏附、增殖。細胞在左旋結(jié)構(gòu)中的生長量比右旋多了至少 260%，比細胞在不同手性單分子層上的黏附量提高了約 74倍。同時，左旋結(jié)構(gòu)更易于與纖連蛋白作用。這些結(jié)果揭示，手性結(jié)構(gòu)精細構(gòu)型決定細胞命運——左旋結(jié)構(gòu)、右旋結(jié)構(gòu)各自扮演不同角色。

手性水凝膠結(jié)構(gòu)與皮膚組 織膠 原蛋白具有高度相似性，生物相容性良好，在促進組織及血管再生等方面具有獨特優(yōu)勢。 此外，手性水凝膠能高效促進糖尿病創(chuàng)面愈合。 秉承自然手性結(jié)構(gòu)的水凝膠材料攻克了慢性糖尿病創(chuàng)面組織再生難、功能恢復(fù)差的世界難題，該研究成果相關(guān)專利技術(shù)已落地轉(zhuǎn)化，有多種手性創(chuàng)面敷料問世，為糖尿病患者創(chuàng)面愈合提供幫助。

本文相關(guān)成果“秉承自然手性精細構(gòu)型的水凝膠生物材料”榮獲2022年度上海市自然科學獎一等獎。

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