李子剛課題組在環(huán)狀多肽可控自組裝以及應用領域取得進展
如何實現(xiàn)精準有序可控地合成生物納米材料是物質(zhì)創(chuàng)造科學領域最重要的命題和任務之一。近年來，隨著化學合成技術和物理表征手段的飛躍，基于生命物質(zhì)（DNA 和蛋白質(zhì)）的精準組裝與模塊化制備已經(jīng)逐漸實現(xiàn)了“從頭設計”和“可控合成”。多肽作為組成蛋白質(zhì)的基礎結(jié)構單元，其具有良好的穩(wěn)定性，優(yōu)異的序列豐富度以及廣泛的結(jié)構多樣性，是制備生物納米材料的理想分子。然而，多肽納米材料的從頭設計和精準制備難度極大，目前存在的主要問題包括以下幾個方面：（1）缺少預測“序列-結(jié)構-組裝”內(nèi)在關系的理論體系；（2）對多肽組裝過程中的關鍵驅(qū)動力認識不足；（3）目前存在的多肽組裝體系有限且多數(shù)研究欠深入。針對上述問題，開發(fā)超越現(xiàn)有多肽組裝體系框架的新型多肽自組裝體系，具有重要的科學意義和應用價值。
層級自組裝是一種“自下而上”的多肽納米材料制備方式，通過調(diào)控多肽單體分子之間的溶劑化作用與組裝驅(qū)動力，實現(xiàn)多肽的有序排列與層級生長。科學家通過仿生改造與理性設計兩種方式，創(chuàng)造了多種多肽自組裝體系。如兩親性多肽，coiled-coil多肽，三螺旋多肽束，苯丙氨酸二肽及其類似物等?；谶@些多肽的自組裝納米材料已經(jīng)被廣泛應用于藥物分子遞送，能量存儲/轉(zhuǎn)換器件，生物傳感，手性物質(zhì)分離等領域。然而，上述多肽自組裝體系主要是以螺旋以及β-折疊結(jié)構為基礎單元，限制了組裝材料內(nèi)在空間結(jié)構的多樣性與復雜性。探索螺旋與β-折疊之外的多肽組裝體系，可以幫助理解多肽超分子堆積過程中的基礎科學問題，同時創(chuàng)造出與現(xiàn)有多肽納米材料功能互補的新型納米材料。
1993年，美國科學家M. Reza Ghadiri 等人報道了一種D，L型氨基酸交叉排列的平面型環(huán)肽分子用于堆垛式組裝生成中空式納米管結(jié)構，這種新穎的多肽組裝單元具有良好的序列容忍度以及組裝可控性。然而，D，L-環(huán)肽有且僅表現(xiàn)出平面型b-折疊結(jié)構，大大限制了組裝納米結(jié)構的豐富度。開發(fā)跨越多種多肽二級結(jié)構，同時具備良好的環(huán)大小和序列容忍度的新型多肽組裝體系，成為該領域科學家努力的方向之一。
帶著上述問題，北京大學深圳研究生院李子剛課題組近年來致力于探索基于構象限制肽的多肽組裝體系。2016年，該課題組開發(fā)了“Chirality-induced helicity” (手性誘導螺旋， CIH) 構建螺旋多肽的方法，通過在多肽側(cè)環(huán)引入精準手性中心，將短肽限制在螺旋構象?；谠擉w系，該課題組在2018年成功將CIH多肽應用于多肽自組裝領域，并提出了“基于多肽手性側(cè)鏈的側(cè)環(huán)驅(qū)動”自組裝概念 （Chirality-induced assembly, CIA）。該體系的主要特點包括： 組裝單體分子為螺旋多肽；多肽側(cè)環(huán)取代基具有芳香環(huán)結(jié)構且大小可調(diào)節(jié)；多肽主鏈序列可變。研究人員基于該體系合成了一系列具有空間高級結(jié)構的納米材料，如納米管，納米帶等，并證明了這些材料在生物光學以及超級電容器領域的潛在應用價值。
但是，如果CIA體系僅僅局限于螺旋多肽，那將大大限制該方法的應用價值?？紤]到CIA體系中核心的組裝驅(qū)動力來源于側(cè)環(huán)取代基的π-π相互作用，研究人員大膽猜測，多肽主鏈二級結(jié)構以及序列將獨立于組裝驅(qū)動力之外，對多肽是否發(fā)生組裝將不會產(chǎn)生決定性影響?；谏鲜霾孪耄芯咳藛T設計合成了不同環(huán)大小的手性側(cè)鏈多肽，并基于“構象-自組裝行為”這一主線進行了系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果表明，不同環(huán)大小的構象限制肽可以組裝產(chǎn)生不同形貌的納米材料。這是該領域首次證明構象限制肽的組裝行為不受環(huán)大小，序列以及二級結(jié)構限制。研究人員進一步研究了不同環(huán)多肽的組裝體的光學和電學性能。由于多肽環(huán)大小不同導致了分子堆積方式不同，生成的納米材料在光致發(fā)光以及儲能性能方面差異明顯。這些研究為將來理性設計理想功能的多肽納米材料提供了有用的借鑒意義。這些成果以“Self-assembly of Constrained Cyclic Peptides Controlled by Ring Size” 為題發(fā)表于中國化學會旗艦期刊《CCS Chemistry》，論文鏈接DOI: https://doi.org/10.31635/ccschem.020.201900047。該文的第一作者為胡寬博士，李子剛教授為論文的通訊作者，論文的合作者包括北京大學深研院新材料學院王新煒教授和中國科學院北京納米能源所李舟教授。
圖一、(a) 手性側(cè)環(huán)限制肽的三要素。（b）不同環(huán)大小的多肽的層級自組裝。
在環(huán)狀多肽組裝納米材料的應用方面，該課題組致力于開發(fā)柔性多肽超級電容器（SC）。先前研究結(jié)果表明，多肽納米材料作為超級電容器儲能材料，具有良好的柔韌性以及生物兼容性，在可穿戴設備中具有廣闊的應用前景。然而，與傳統(tǒng)的無機儲能材料相比，多肽儲能往往存在較差的循環(huán)穩(wěn)定性，較低的功率密度和能量密度。為了克服這些問題，李子剛課題組與王新煒課題組合作，利用原子層沉積技術，將Co9S8沉積在多肽納米材料表面，生成了規(guī)整的多肽-Co9S8核殼結(jié)構。一系列的電化學測試結(jié)果表明：Co9S8可以保護內(nèi)層的多肽，避免遭受電解質(zhì)的攻擊而溶解在電解質(zhì)中；多肽納米結(jié)構作為支撐層，可以與Co9S8層形成完美的界面匹配，這種有機-無機材料的協(xié)同作用，大大增強了電極的功率密度和能量密度。課題組進一步與李舟課題組合作，將摩擦納米發(fā)電機（TENG）與多肽雜化超級電容器耦合，制備了自供能的TENG/SC器件，為未來進一步商業(yè)化應用提供了可能的解決方案。上述成果以“A wearable system based on core-shell structured peptide-Co9S8 supercapacitor and triboelectric nanogenerator” 為題于2019年12月份發(fā)表在納米能源頂尖期刊《Nano Energy》(IF=15.5)。論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285519308560。該文的共同第一作者為熊威，胡寬博士，以及李喆，李子剛教授，王新煒教授和李舟教授為論文的共同通訊作者。
圖二、多肽-Co9S8雜化超級電容器與TENG耦合器件示意圖
除了基于手性側(cè)環(huán)肽的自組裝體系，李子剛課題組還致力于開發(fā)刺激響應的多肽定向組裝體系。二硫鍵是蛋白質(zhì)結(jié)構中常見的官能團，由于其在氧化還原環(huán)境中的可逆性，因而常用于設計觸發(fā)式自組裝體系。前人報道了多種基于二硫鍵的還原“斷鍵式”自組裝觸發(fā)體系，但尚未有分子內(nèi)的氧化“成鍵”自組裝體系被報道。李子剛課題組開發(fā)了一種新型的“自氧化誘導生成訂書肽”繼而發(fā)生自組裝的定向組裝體系。研究人員精心設計合成了一種自組裝多肽序列Fmoc-R(RCEX)2-NH2，該序列在氧氣充足的環(huán)境下，可以選擇性的發(fā)生分子內(nèi)自氧化，將多肽穩(wěn)定在螺旋構象。隨著氧化的進行，多肽分子可以發(fā)生有序的排列，進而生成多肽納米管結(jié)構。研究人員進一步證明多肽納米管結(jié)構可以有效的將siRNA遞送到癌細胞內(nèi)，并在細胞內(nèi)將siRNA釋放出來。上述成果以“Directional assembly of a stapled α-helical peptide”為題于2019年6月份發(fā)表在化學領域一區(qū)期刊《Chemical Communications》。論文鏈接： https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/cc/c9cc04591k#!divAbstract。該文的共同第一作者為胡寬博士，尹豐副研究員，以及周子原博士。李子剛教授為唯一通訊作者。
圖三、基于“氧化觸發(fā)式”的定向多肽自組裝體系。
上述系列研究得到了國家自然科學基金，深圳市科學技術創(chuàng)新委員會的支持。
版權與免責聲明：本網(wǎng)頁的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點或證實其真實性，也不構成其他建議。僅提供交流平臺，不為其版權負責。如涉及侵權，請聯(lián)系我們及時修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com