摘要：在相應(yīng)結(jié)合策略的驅(qū)動下，偶氮苯以光開關(guān)分子的形式在各類生物大分子中得到了深度應(yīng)用，特別是在多肽與蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與活性變化、核酸調(diào)控，以及脂類、多糖復(fù)合物的研究上具有獨特價值.從近年來所報道的偶氮苯光開關(guān)設(shè)計出發(fā)對其在生物大分子中的應(yīng)用做了分類綜述，總結(jié)了偶氮苯光開關(guān)當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀.

關(guān)鍵詞：偶氮苯光開關(guān)；光致異構(gòu)化；生物大分子；蛋白質(zhì)；核酸

中圖分類號：O625.65文獻標志碼：A

0引言

蛋白質(zhì)［1］、核酸［2］、脂類［3］和多糖［4］大分子因其重要的生理功能在較大程度上決定了生物個體的生理活動，但是由于結(jié)構(gòu)和作用過程的復(fù)雜性，針對此類物質(zhì)的研究長期以來需要借助多種化學(xué)修飾工具.偶氮苯光開關(guān)新穎的作用形式和化學(xué)性質(zhì)使其在各類生物大分子中的應(yīng)用價值不斷顯現(xiàn).與基因編輯技術(shù)相比，偶氮苯光開關(guān)具有更好的生物相容性與可逆性［5］，能夠較好地避免因剛性介入所造成的如脫靶效應(yīng)等不良后果［6-7］，同時比部分特異性化學(xué)制劑有更佳的時空精度及代謝穩(wěn)定性［8］.

目前偶氮苯光開關(guān)在蛋白質(zhì)的各級結(jié)構(gòu)與功能活性調(diào)整［9-10］、核酸高效調(diào)控及DNA納米器件組裝［11］、脂類膜層性能調(diào)節(jié)和多糖復(fù)合物研究［12-13］等領(lǐng)域均有大量應(yīng)用，本文就此進行了綜述.

1偶氮苯光開關(guān)的設(shè)計改進

偶氮苯的順反異構(gòu)化機制實際上是N=N鍵角的空間翻轉(zhuǎn)或C-N鍵角的協(xié)同翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的［14-15］，整個過程是一個既可以從基態(tài)到激發(fā)態(tài)也可以從激發(fā)態(tài)弛豫到基態(tài)的可逆反應(yīng).目前化學(xué)家們已合成了含單偶氮、雙偶氮甚至三偶氮基團的多種偶氮苯化合物［16-17］，不同的偶氮基團數(shù)目對偶氮苯的光致異構(gòu)化特性均有不同的影響［18-19］.此外，通過許多新型偶氮苯光開關(guān)的合成報道可知，偶氮苯苯環(huán)上的鄰位、間位和對位取代基，以及基團性質(zhì)等也會對偶氮苯的光致異構(gòu)化效果產(chǎn)生較大影響.

由于偶氮苯光開關(guān)與生物大分子作用環(huán)境的特殊性，因此有以下幾點需要考慮：1）偶氮苯光開關(guān)的設(shè)計需要考慮與不同生物大分子之間恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)合方式，不同連接方式或者結(jié)合位點不僅影響生物大分子原本的活性或結(jié)構(gòu)，而且影響調(diào)控效率；2）偶氮苯分子的熱弛豫過程時間相對較長，對光開關(guān)的復(fù)位速率影響較大，因此新設(shè)計的偶氮苯光開關(guān)需要提高異構(gòu)體弛豫還原效率；3）必須要考慮到偶氮苯異構(gòu)化進行時所使用的光在生物體內(nèi)的毒害性，一般偶氮苯的高效異構(gòu)化依賴于存在生物危害的紫外光波段，因此設(shè)計光開關(guān)需要考慮適當(dāng)紅移；4）生物大分子環(huán)境的復(fù)雜性對光開關(guān)分子的穩(wěn)定性提出了較高的要求，同時光開光需具備良好的可逆性.

1.1響應(yīng)波段的改進

據(jù)現(xiàn)有的報道，大多數(shù)偶氮苯光開關(guān)可在紫外光區(qū)（10～400 nm）進行反式到順式的異構(gòu)化［20-21］，但從生物角度考慮，紫外光會對生物分子產(chǎn)生難以可逆的損傷［22］，因此在偶氮苯光開關(guān)的設(shè)計合成工作中，如何在可見光區(qū)（400～760 nm）或低光毒性條件下完成異構(gòu)體高效轉(zhuǎn)換顯得尤為重要.

研究表明，偶氮苯苯環(huán)上的取代基會強烈影響其在光譜吸收帶的位置.例如，Samanta等［23］研究發(fā)現(xiàn)，多種鄰位取代基的加入可使偶氮苯化合物在紅光環(huán)境下進行異構(gòu)化，特別是鄰位氯取代的偶氮苯光開關(guān)賦予了谷胱甘肽還原穩(wěn)定性.Wu等［24］通過鄰位取代的甲氧基改進偶氮苯二馬來酰亞胺（ABDM），合成了一種新型偶氮苯光開關(guān)（toM-ABDM），該化合物可在617 nm的紅光照射下改變與其交聯(lián)肽段的各二級結(jié)構(gòu)比例.Konrad等［25］則系統(tǒng)地展示了氯、氟在鄰位、對位不同取代形式下所導(dǎo)致的偶氮苯光致異構(gòu)化差異，該團隊設(shè)計了一種相比于具有4個鄰位氯取代基偶氮苯更靈活的鄰二氟鄰二氯偶氮苯，前者在脂類和蛋白質(zhì)光調(diào)控中有較多的應(yīng)用報道，后者在繼承了由2個鄰位氯取代基獲得的可紅光響應(yīng)的性能上，又憑鄰二氟取代基獲得了綠光及黃光響應(yīng)能力，具有多光譜譜段的適應(yīng)能力.

1.2異構(gòu)化端到端變幅的改進

偶氮苯分子異構(gòu)化后的空間構(gòu)象變化幅度能在一定程度上反映其作用效能.對此，相關(guān)研究多以端到端距離來評價偶氮苯分子在異構(gòu)化前后的形態(tài)變化.若端到端距離的變化程度過小，則可能無法達到調(diào)控生物大分子結(jié)構(gòu)的目的.例如，與偶氮苯光開關(guān)交聯(lián)的肽段中，α-螺旋節(jié)距等于或大于這一距離時，高效調(diào)控將難以進行.所以，適當(dāng)?shù)卦黾佣说蕉司嚯x的變化是偶氮苯光開關(guān)的設(shè)計與合成工作中的重要一環(huán).

基于偶氮苯光致異構(gòu)化只有N=N鍵角和C-N鍵角在協(xié)同變化的原理，且異構(gòu)化并不會破壞分子兩端苯環(huán)的整體性，因此，許多科學(xué)家通過增加基團的方式以達到對端到端距離變化幅度增加的目的.如Samanta等［26-27］合成的具有對位氯乙酰胺取代基的雙偶氮苯基團衍生物（BPDBS），最大可產(chǎn)生23 的端到端距離.為了追求幅度更大、控制更靈活的端到端的距離變化，該團隊繼續(xù)合成了在中間具有氮孤對電子作為分隔單元的雙偶氮苯衍生物，雙偶氮苯的順反異構(gòu)體交錯轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)端到端距離9.1 、21.3 和最大32.8 的3檔變化.偶氮苯不同異構(gòu)體之間較大的構(gòu)象變化在錨定長距離的氨基酸位點，爭取更大的復(fù)合物結(jié)構(gòu)改變時具備潛在優(yōu)勢，對于環(huán)肽及多聚體蛋白的調(diào)控較為重要.

2應(yīng)用于多肽片段及蛋白質(zhì)活性調(diào)控

光具有易取易用、非強刺激與無殘留等優(yōu)點，在生物體內(nèi)的應(yīng)用有較大的潛在價值；另外，苯環(huán)上取代基具有高度靈活性與可控性［28］，共同促使偶氮苯光開關(guān)成為一種調(diào)控蛋白質(zhì)分子理想的化學(xué)修飾手段.

2.1對肽鏈螺旋結(jié)構(gòu)的光調(diào)控

偶氮苯光開關(guān)在蛋白質(zhì)中的相當(dāng)一部分應(yīng)用是圍繞肽來展開的.Nuti等［29］曾提出，當(dāng)偶氮苯引入肽鏈后，在光線輻照下進行順反異構(gòu)化的這個過程實際上會在鏈中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變或松弛，進而誘導(dǎo)肽鏈的折疊或解折疊.其中，α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角與無序卷曲等作為二級結(jié)構(gòu)的主要形式，作用很大，特別是在對蛋白質(zhì)整體結(jié)構(gòu)的支撐及其功能實現(xiàn)方面作用突出［30］，故成為偶氮苯光開關(guān)調(diào)控的重要對象.

2019年，Jankovic等［31］使用等溫滴定量熱法、圓二色譜法與熒光猝滅法3種互補的實驗手段，通過表征RNase-S肽復(fù)合物（見圖1（A））的解離性質(zhì)，交叉驗證了通過偶氮苯光開關(guān) （BSBCA）對S-肽中α-螺旋進行調(diào)控的可行性，即偶氮苯基團的不同異構(gòu)體將影響螺旋的動態(tài)變化.該團隊選取了數(shù)個不同的結(jié)合位點對比BSBCA對螺旋含量的調(diào)控效率，還考察了偶氮苯光開關(guān)兩端結(jié)合距離對于光控效率的影響.在1組名為S-pep（6，13）的含偶氮苯光開關(guān)對照組中，在圓二色譜中觀測到了順式異構(gòu)體（70±20）μM的解離常數(shù)kd值.當(dāng)S-pep（6，13）在偶氮苯為反式異構(gòu)體時，kd值卻未顯示，這代表已經(jīng)完全解離，前后呈現(xiàn)較大落差.對此，該團隊認為原因有2個，首先，S-pep（6，13）中偶氮苯兩側(cè)結(jié)合點較適宜的距離（i，i+7）有助于異構(gòu)體構(gòu)象變化的傳導(dǎo)；其次，該片段肽本身的性質(zhì)所致，即在n端呈現(xiàn)α-螺旋形式，而在c端則是無序卷曲狀態(tài)，結(jié)合段內(nèi)總體螺旋含量較少，因此異構(gòu)化效率較高.在總的結(jié)果上，除了S-pep（6，15）由于其核心區(qū)域的部分殘基具有強穩(wěn)定性及其（i，i+9）稍長的結(jié)合位點間距對異構(gòu)化效果的“抵消”，其他所有組別都觀察到了由偶氮苯光開關(guān)異構(gòu)化所致的α-螺旋含量下降（見圖1（B））.在該團隊最新的一項報道里［32］，使用了可見近紅外瞬態(tài)吸收光譜來深化對于偶氮苯光開關(guān)光致異構(gòu)化誘導(dǎo)的RNase-S肽復(fù)合物在納米時間尺度下的解離見解（見圖1（C）），加以分子動力學(xué)模擬計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)偶氮苯光開關(guān)處于順式狀態(tài)時，復(fù)合物中的肽部分主要通過α-螺旋的形式與蛋白進行特異性結(jié)合.在紅光照射下，BSBCA的異構(gòu)化僅需100 ps不到，這使與其共價連接的肽鏈中的螺旋在20 ns內(nèi)即完成展開，肽段在300 μs內(nèi)實現(xiàn)與蛋白質(zhì)的解離，因此在之前的圓二色譜中未顯示出反式異構(gòu)體形式下二者的解離常數(shù).對這一迅速的過程可概括為紅光照射下偶氮苯光開關(guān)的異構(gòu)化引起肽鏈中α-螺旋的減少，螺旋的減少促使復(fù)合物內(nèi)肽的解離.另外，該團隊提出了一個看法，肽段的解離和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)機制可以分別歸為誘導(dǎo)擬合和構(gòu)象選擇［33］.這項報道在確認了偶氮苯光異構(gòu)化將改變蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)含量的基礎(chǔ)上，還說明了在進行偶氮苯光開關(guān)在與生物大分子較為復(fù)雜的相互作用研究時，復(fù)合物結(jié)構(gòu)分析中高精度時間依賴性的檢查尤為重要.

Bozovic等［34］將來自PSD-95蛋白PDZ3結(jié)構(gòu)域具有變構(gòu)活性的α-螺旋與偶氮苯基團共價連接，獲得了可逆光控的PDZ3變體，440 nm的光線輻照誘導(dǎo)了偶氮苯的順反異構(gòu)體構(gòu)象變化，使α-螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致肽與配體的結(jié)合強度下降.該團隊利用時間分辨紅外光譜技術(shù)探究了由PDZ3光開關(guān)變體所表達的變構(gòu)信號，偶氮苯不僅作為α-螺旋結(jié)構(gòu)變動的觸發(fā)開關(guān)，同時也充當(dāng)了光開關(guān)異構(gòu)體轉(zhuǎn)換和螺旋結(jié)構(gòu)之間變構(gòu)信號傳導(dǎo)速度的觀測導(dǎo)體.

2020年，Lee等［35］以構(gòu)象變幅為側(cè)重點將偶氮苯異構(gòu)化對于螺旋結(jié)構(gòu)的影響進行了量化研究.該團隊將偶氮苯化合物與細胞凋亡肽KLA結(jié)合，如圖2所示.偶氮苯光開關(guān)的異構(gòu)化誘導(dǎo)了肽的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，偶氮苯在兩端交聯(lián)的KLA-15-Azo（見圖2（A）），其螺旋度由原始KLA肽的49%降低至39%，而偶氮苯與中間位置的氨基酸序列交聯(lián)的KL-4-Azo （見圖2（B））的螺旋度則降低至24%，降幅達25%.在經(jīng)過紫外照射后，偶氮苯由反式異構(gòu)體轉(zhuǎn)換至順式異構(gòu)體，KLA-4-Azo肽的螺旋含量恢復(fù)至39%，KLA-15-Azo肽未見變化.這是由于偶氮苯光開關(guān)的反式異構(gòu)體具有9.9 這一較長的端到端距離，比5.4 的螺圈間距更長，而順式異構(gòu)體端到端的距離與螺距相近，僅為5.5 .由此可見，不僅會因偶氮苯光開關(guān)的不同異構(gòu)體導(dǎo)致螺旋含量變化，而且還會因為交聯(lián)區(qū)段的差別造成螺旋含量變幅的不同.

2.2對折疊結(jié)構(gòu)構(gòu)象性能的光調(diào)控

根據(jù)熱力學(xué)與分子動力學(xué)原理，蛋白質(zhì)在分子伴侶的輔助下，需要快速精確地卷曲成特定的三維結(jié)構(gòu)才能實現(xiàn)預(yù)定的生理功能，這種過程稱之為蛋白質(zhì)折疊［36］.但蛋白質(zhì)的錯誤折疊，以及由此導(dǎo)致的纖維狀凝聚團簇會對神經(jīng)系統(tǒng)和部分器官產(chǎn)生嚴重不良影響，導(dǎo)致如阿爾茲海默癥（AD）等惡性疾病的產(chǎn)生［37］.當(dāng)前關(guān)于AD的發(fā)病原因暫無定論，但是對AD病理探究的其中一個可能性答案指向了一種β-淀粉樣蛋白（Aβ）［38］，由Aβ內(nèi)部錯誤折疊形成的寡聚物會導(dǎo)致神經(jīng)元的退行性病變，進而引發(fā)一系列病理事件，特別是其中一種致病性較高的亞型Aβ42肽［39］.Doran等［40］合成了一種可光響應(yīng)的偶氮苯衍生物（AMPP）（見圖3（A））作為β-發(fā)夾的模擬物引入到了Aβ42內(nèi)假定的一個翻轉(zhuǎn)區(qū)域中，以調(diào)控Aβ42自組裝成高毒性寡聚物的過程.通過與β-折疊具有結(jié)合性的硫磺素-T熒光強度分析，觀察到了AMPP對硫磺素-T的明顯熒光猝滅，這表明了含AMPP的復(fù)合物具有良好的結(jié)合性.從分子調(diào)控的角度出發(fā)，通過對含AMPP的β-發(fā)夾模擬物分別進行紫外與可見光照射，得到反式異構(gòu)體的硫磺素-T熒光強度超過順式異構(gòu)體的10倍，這是由于AMPP順式異構(gòu)體有效限制β-折疊過量聚集所得到的結(jié)果，而高毒性的Aβ寡聚物正是通過β-折疊聚集而成［41］.總而言之，即偶氮苯光開關(guān)AMPP的順式異構(gòu)體可有效限制高致病性的Aβ寡聚物生成.該研究首次將偶氮苯光開關(guān)作為生物分子的模擬物骨架引入至有復(fù)雜組裝過程、高致病性特征的大分子中，成功證明了偶氮苯光開關(guān)AMPP的光致異構(gòu)化可用于干涉Aβ42聚集成核的過程.此后該團隊進一步地闡釋了AMPP的2種異構(gòu)體在Aβ錯誤折疊中的影響與作用，有效推進了從Aβ角度展開對AD病因的研究.

Hoppmann等［42］設(shè)計合成了一種名為F-PSCaa的偶氮苯衍生物光開關(guān)，通過UAA編碼氨基酸將其整合到蛋白質(zhì)中.F-PSCaa包含1個有點擊反應(yīng)的巰基官能團，可以選擇性地與適當(dāng)定位的半胱氨酸反應(yīng).在使用鈣調(diào)蛋白CaM作為模型蛋白的實驗中［43］，F(xiàn)-PSCaa的光致異構(gòu)化導(dǎo)致了CaM在圓二色光譜208 nm處的n-π*過渡帶吸收強度的明顯變化，208 nm正是β-轉(zhuǎn)角的圓二色光譜特征區(qū)間，這表明F-PSCaa光開關(guān)可誘導(dǎo)鈣調(diào)蛋白中折疊結(jié)構(gòu)含量的改變.

2.3對蛋白質(zhì)與酶功能活性的光調(diào)控

2021年，Hofmann等［44］報道了含偶氮苯的姜黃素生物類似物的合成，并通過分子動力學(xué)模擬表明了該偶氮苯衍生物能夠與Aβ42生成不同折疊形式的疏水簇.在基于大腸桿菌進行的體外抑制實驗中，采用Th-S染料作為評價標準，發(fā)現(xiàn)新合成的一類偶氮衍生物在抵抗Aβ42蛋白的聚集活性中顯示出了較佳效果（見表1）；并同時評價了該偶氮苯光開關(guān)對于tau蛋白活性的調(diào)控能力，該蛋白質(zhì)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元中含量豐富，對保持微管蛋白活性有重要作用［45］.

Ishikawa等［46］以驅(qū)動有絲分裂的Eg5蛋白為對象，通過合成的一種偶氮苯衍生物（ACTAB）作為靶向藥物（STLC）的類似物來對Eg5進行化學(xué)修飾（見圖3（B））.ACTAB的光致異構(gòu)化導(dǎo)致了STLC中的三苯甲基和半胱氨酸之間相對位置的變化，此構(gòu)象變化會影響ACTAB與結(jié)合口袋中氨基酸的結(jié)合，從而對Eg5的功能活性進行可逆光調(diào)控.結(jié)果表明，ACTAB不同異構(gòu)體對抑制Eg5的IC50值差異顯著，反式異構(gòu)體的IC50值僅為順式異構(gòu)體的49.1%，25 mmol/L濃度下的反式ACTAB比同濃度下的順式異構(gòu)體的抑制效率高60%.另外，ACTAB的異構(gòu)化不依賴于紫外環(huán)境，有利于在生物體內(nèi)展開應(yīng)用.偶氮苯光開關(guān)對于蛋白質(zhì)及酶的活性調(diào)控，除了通過交聯(lián)配體改變構(gòu)象的方式，還有通過對活性位點進行競爭性結(jié)合改變活性的方式.

Aggarwal等［47］以主動、可逆調(diào)控碳酸酐酶活性為目的，設(shè)計合成了一種具有2個鄰位甲氧基取代基的偶氮苯磺酰胺光開關(guān)探針CAP2.在CAP2與碳酸酐酶結(jié)合活性競爭實驗中，CAP2反式異構(gòu)體的加入取代了處于碳酸酐酶活性位點的單酰胺，抑制了酶活性.當(dāng)使用410 nm光線照射后，CAP2由反式異構(gòu)體轉(zhuǎn)換為順式異構(gòu)體，復(fù)合物在470 nm處的吸收峰增加，這說明了此時單酰胺重新進入了碳酸酐酶活性位點，活性恢復(fù).證明了CAP2光開關(guān)可以在碳酸酐酶環(huán)境下實現(xiàn)異構(gòu)化，并且在后續(xù)的快速重復(fù)實驗中驗證了該光調(diào)控的可逆性.對于此結(jié)果，主要是碳酸酐酶的形態(tài)是由1條彎曲的蛋白質(zhì)半環(huán)包圍1個Zn2+，而CAP2反式異構(gòu)體呈現(xiàn)順直的線型裝，與碳酸酐酶的活性區(qū)域契合并與Zn2+相互作用，填塞了蛋白質(zhì)環(huán)狀鏈中間的疏水腔.當(dāng)偶氮苯探針轉(zhuǎn)換成反式異構(gòu)體之后，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，CAP2被排斥，酶活性得以恢復(fù).Seidel等［48］以偶氮苯三甲基溴化銨azoTAB為可光響應(yīng)的表面活性劑，研究了其對黑曲霉β-葡萄糖苷酶活性的影響.相較于葡萄糖苷酶的天然活性，經(jīng)紫外光照射的azoTAB誘導(dǎo)了β-葡萄糖苷酶從二聚體向球形度更高、更加活潑的單體轉(zhuǎn)變，觸發(fā)了近55%的活性提升，而常規(guī)的表面活性劑如鼠李糖脂等在同濃度下僅有20%的活性提升.azoTAB作為一種表面活性劑類型的偶氮苯光開關(guān)還在脂類中有許多運用.

3核酸中的偶氮苯光開關(guān)

3.1與RNA的結(jié)合

在類型眾多的RNA中，小干擾RNA（siRNA）是一種可用于誘導(dǎo)基因沉默的RNA種類，常被用于生物醫(yī)藥的開發(fā).Hammill等 ［49］發(fā)現(xiàn)，在siRNA有義鏈中心區(qū)域引入具有芳香鍵的聯(lián)苯作為間隔可增強基因沉默效應(yīng)，基于此，采用鋅粉還原法合成了一類含磷酰胺的偶氮苯光開關(guān)Az-spacer.該光開關(guān)通過取代siRNA正義鏈上的2個核苷酸嵌入在siRNA的不同位置形成復(fù)合體siRNAzos.在紫外光照射下，siRNAzos中的反式異構(gòu)體含量最多可下降73%，經(jīng)過5 min持續(xù)照射，順式異構(gòu)體成為優(yōu)勢構(gòu)象.在siRNA正義鏈中間部位結(jié)合的偶氮苯光開關(guān)在Hela細胞環(huán)境下最多可誘導(dǎo)螢火蟲熒光素酶基因表達降低超過80%，并保持近12 h的持續(xù)效能.2020年，Hammill等［50］繼續(xù)對這一研究進行了改進，以進一步增強siRNAzos的基因表達沉默效應(yīng).由于在細胞培養(yǎng)過程中，siRNA與偶氮苯光開關(guān)結(jié)合形成RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合物（RISC）并不完全，故在Hela細胞中的轉(zhuǎn)染完成后需通過多次低強度的紫外光照射將siRNAzos在培養(yǎng)環(huán)節(jié)“滅活”，以確保形成最大比例的順式異構(gòu)體，減少游離siRNA加載到已經(jīng)成型的RISC中的情況.該研究使得siRNAzos在1個順反異構(gòu)化轉(zhuǎn)換周期內(nèi)對于目標基因表達抑制的有效期從12 h延長到24 h.另外，具有4個鄰位氯取代基的可紅光響應(yīng)偶氮苯的加入有效地提高了siRNAzos的生物組織的相容性［51］.以上一系列關(guān)于siRNAzos的研究說明了偶氮苯光開關(guān)作為一種光化學(xué)修飾手段在RNA中具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在結(jié)構(gòu)調(diào)控、基因表達控制等方面，可為RNA核酸藥物的開發(fā)奠定基礎(chǔ).

但偶氮苯本身與RNA之間的結(jié)合性似乎并不理想，因此依賴于第三方基團的加入來增強二者的結(jié)合性能.除了上述提到的磷酰胺，Mondal等［52］通過在苯環(huán)兩側(cè)的對位拼接β-脫氧核糖鍵來使偶氮苯與RNA主鏈進行共價結(jié)合，得到了2種結(jié)構(gòu)相異的復(fù)合物.Lotz等［53］合成了通過氯霉素修飾的偶氮苯光開關(guān)（AzoCm），氯霉素為偶氮苯與RNA之間提供良好的特異性識別，增強了二者的相互作用.

3.2在DNA結(jié)構(gòu)與納米器件中的應(yīng)用

與RNA相似，DNA同為一類極為重要的生物大分子，并且擁有突出的結(jié)構(gòu)特征，是偶氮苯化合物良好的作用對象.例如，Moghaddam等［54］使用量子力學(xué)和分子力學(xué)模擬的方法發(fā)現(xiàn)了具有對位取代模式的偶氮苯化合物可以導(dǎo)致G-四鏈體中DNA結(jié)構(gòu)堆疊.Barbosa等［55］通過分子動力學(xué)模擬的方法闡述了偶氮苯光開關(guān)在異構(gòu)化過程中對于DNA局部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，以及多重偶氮苯光開關(guān)在異構(gòu)化時對于DNA去雜交過程所表現(xiàn)的協(xié)同效應(yīng).

由于DNA分子具有較理想的生物識別特性，因此常被設(shè)計成用于生物信號傳導(dǎo)與藥物遞送的微納米器件［56］，偶氮苯光開關(guān)的加入，能提升這類有特定規(guī)則的納米組件的可控性與可逆性能［57-58］.kugor等［59］將2種不同的偶氮苯光開關(guān)引入單鏈DNA（ssDNA），從DNA納米結(jié)構(gòu)的機械運動角度報道了首個可憑光線自主控制、非隨機性、可在一維路徑上雙向移動的DNA-Walker （見圖4（A））.憑借2種不同的偶氮苯衍生物在各自特定光線下進行的順反異構(gòu)化來控制交聯(lián)DNA鏈的置換反應(yīng)，DNA鏈中的競爭配體在光開關(guān)部分的作用下隨著不同的異構(gòu)化狀態(tài)發(fā)生強弱交替（見圖4（B）），通過這種動態(tài)的相互作用可以實現(xiàn)DNA-Walker分子受控的線性運動.DNA-Walker在基因檢測與信號傳導(dǎo)等領(lǐng)域頗具前景［60-61］，高運動維度的DNA-Walker還可用于病原菌的快速檢測等［62］.Zhang等［63］同樣通過偶氮苯將DNA鏈功能化，不同之處在于引入了一種上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料（UCNP）作為載體，與偶氮苯結(jié)合的DNA鏈作為UCNP外層環(huán)繞結(jié)構(gòu)（見圖4（C）），在組成的形態(tài)上更近似于泵類結(jié)構(gòu)（見圖4（D））.近紅外光的輻照經(jīng)泵的“軸心”UCNP轉(zhuǎn)換發(fā)出紫外光，導(dǎo)致偶氮苯外層的集體異構(gòu)化轉(zhuǎn)變，此類的泵狀結(jié)構(gòu)，在包載小分子藥物后可經(jīng)偶氮苯光開關(guān)的異構(gòu)化實現(xiàn)較高的釋放率.

4其他生物大分子中的偶氮苯光開關(guān)

除蛋白質(zhì)與核酸外，脂類和多糖亦同屬于生物大分子范疇［64］.磷脂酰膽堿是一種廣泛存在于生物質(zhì)膜中的脂類，對維持腦細胞活性、調(diào)節(jié)血脂等具有重要作用.Urban等 ［65］研究了與偶氮苯光開關(guān)結(jié)合的磷脂酰膽堿對于雙層分子膜性能的影響.通過光脫色熒光恢復(fù)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)偶氮苯光開關(guān)處于順式異構(gòu)體時，膜層擴散系數(shù)接近反式異構(gòu)體的160%；當(dāng)偶氮苯轉(zhuǎn)換為反式異構(gòu)體時，擴散系數(shù)則會立馬回落，說明了偶氮苯的光致異構(gòu)化可改變膜的滲透性.這是由于順式異構(gòu)體中氮原子上的孤對電子具有較大的偶極矩，使偶氮苯光開關(guān)接近磷脂極性頭基，翻轉(zhuǎn)的順式結(jié)構(gòu)將分化膜表面的致密性；而反式異構(gòu)體則因為強疏水性縱置于雙層分子膜中間，膜的結(jié)構(gòu)未被擾動［66］.Pernpeintner等［67］發(fā)現(xiàn)了偶氮苯光開關(guān)的異構(gòu)化可影響磷脂膜的厚度和剛度，使由磷脂膜組成的囊泡直徑有3%的變幅.相關(guān)研究表明，可通過偶氮苯可逆性光響應(yīng)行為來調(diào)節(jié)脂類的微觀形態(tài)，以及由該類物質(zhì)所構(gòu)成的膜層流動性等參數(shù)，相較于傳統(tǒng)的pH值、離子濃度或溫度的調(diào)節(jié)，該方法具備更好的生物相容性與可逆性，對于推動脂類作為小分子藥物的遞送平臺具有較大意義.

在多糖的應(yīng)用中，Chen等［68］將碳化二亞胺與N-羥基琥珀酰亞胺作為交聯(lián)劑連用，使偶氮苯通過亞氨基與透明質(zhì)酸結(jié)合（HA-Azo）.在該體系中，HA-Azo作為陰離子供體與陽離子成分通過靜電吸引制成納米膠囊，對阿霉素（DOX）進行包埋和釋放.紫外光照射使偶氮苯轉(zhuǎn)換為順式異構(gòu)體，改變了HA-Azo與陽離子成分之間的靜電吸附特性，導(dǎo)致膠囊的結(jié)構(gòu)解體，直徑下降75%，內(nèi)容物DOX的釋放率達70%，比無偶氮苯光開關(guān)的膠囊釋放率高60%；此外，反式異構(gòu)體的泄露率低于10%.Kim等［69］將偶氮苯枝接在經(jīng)羧甲基化改造后的纖維素主鏈上，與β-環(huán)糊精等材料制備成了一種主客體配合物多功能水凝膠.經(jīng)過紫外照射后對于包埋物萘普生的釋放量可比未經(jīng)光照組高50%.綜上可知，偶氮苯光開關(guān)能夠為基于脂類與多糖的材料提供可靠的光控性能，有效提升二者在藥物遞送中的包埋率，以及穩(wěn)定性的可逆控制水平.

5結(jié)語

近年來，隨著各種不同形式的取代基和新配體的出現(xiàn)，偶氮苯光開關(guān)愈發(fā)顯現(xiàn)出了其較好的靈活性和適用性，另外，隨著光線的篩選與取代基的改進也使得偶氮光開關(guān)的生物相容性得到進一步提高，并且紅綠藍等光源替代紫外光已進入到相關(guān)研究中.除了已經(jīng)闡述的幾類生物大分子外，偶氮苯光開關(guān)在芯片探針、存儲與復(fù)合材料，以及機械生物材料領(lǐng)域都有許多極具創(chuàng)新的報道.

但目前對生物體內(nèi)偶氮苯光開關(guān)的研究，仍然存在以下問題：1）光線在生物體內(nèi)的局限性問題.雖然研究人員對偶氮苯的響應(yīng)光線做了大量調(diào)整工作，試圖避免部分短波段光線對生物活體的損害，但仍不夠理想.具有高度細胞吸收性、高組織滲透性，且無生物危害的可見光作為光激勵源已經(jīng)用在偶氮苯的異構(gòu)化方面，但是該類光源在光控生物分子中的使用率仍較低.2）如何根據(jù)偶氮苯順反異構(gòu)體與交聯(lián)大分子之間的構(gòu)象相關(guān)性從設(shè)計層面上改進偶氮苯光開關(guān).這對于全面掌握偶氮苯異構(gòu)化，以及深化在生物大分子中的現(xiàn)有成果具有重要意義.3）偶氮苯異構(gòu)化的轉(zhuǎn)換不徹底.這體現(xiàn)在順、反異構(gòu)體的比例差異，以及異構(gòu)化對于分子構(gòu)象變化誘導(dǎo)能力的不足方面，這將影響長期循環(huán)異構(gòu)化的可逆性.這些問題和不足將是偶氮苯光開關(guān)在生物體內(nèi)應(yīng)用的主要研究方向.

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（責(zé)任編輯：伍利華）

Application of Azobenzene Photo-Switches

in Biomacromolecules

HU Jie1，DUAN Ran2，ZHOU Dian2，WU Di1，2（1.School of Mechanical Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China;

2.School of Food and Biological Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China）Abstract：Driven by corresponding binding strategies，azobenzene has been deeply applied in various biomacromolecules in the form of photo-switch molecules.Especially，it has a unique value in the changes of structure and activity of polypeptide and proteinthe regulation of nucleic acidand the research of lipid and polysaccharide complexes.Based on the design of azobenzene photo-switch reported in recent years，this paper expounds on its application in biomacro-molecules，summarizes the current development status of azobenzene photo-switch，and looks forward to the application prospect of azobenzene photo-switch in chemical biology.

Key words：azobenzene photo-switches;photoisomerization;biomacromolecules;proteins;nucleic acid