李子剛課題組在《科學(xué)•進(jìn)展》報(bào)道螺旋多肽自組裝新模式研究成果
近日，北京大學(xué)深圳研究生院李子剛研究組及其合作者在Science 子刊《Science Advances》在線發(fā)表關(guān)于α-螺旋多肽自組裝新模式及其在儲(chǔ)能方面的應(yīng)用的最新研究成果；題為：Tuning peptide self-assembly by an in-tether chiral center，鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/4/5/eaar5907。
多肽分子精準(zhǔn)的層級(jí)自組裝（hierarchical self-assembly），作為一種自下而上（bottom-up) 的生物納微材料制備方法，其在仿生學(xué)，催化，物質(zhì)分離，生物電子器件領(lǐng)域受到越來(lái)越多的重視。與無(wú)機(jī)納米材料相比，多肽分子具有來(lái)源廣泛，天然可降解，生物兼容性好，易于修飾等特點(diǎn)。以FF（F: 苯丙氨酸）二肽及其衍生物為代表，通過(guò)一系列物理（電場(chǎng)輔助法，磁場(chǎng)輔助法，溫度輔助法，超聲輔助法）和化學(xué)（pH，溶劑法，催化法）手段，精準(zhǔn)操控多肽分子自組裝的路徑，得到了多肽納米管，納米纖維，納米線，納米凝膠，納米量子點(diǎn)等一系列具有特殊結(jié)構(gòu)的納微多肽材料，這些材料或具備良好的半導(dǎo)體性質(zhì)，或展現(xiàn)出優(yōu)越的柔韌性以及特殊的光學(xué)性質(zhì)。在諸如柔性超級(jí)電容器/電池，壓電器件，生物傳感，光導(dǎo)器件，以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
多肽分子自組裝是通過(guò)調(diào)節(jié)多肽分子之間非共價(jià)作用，如范德華力，氫鍵網(wǎng)絡(luò)，疏水相互作用，π-π相互作用等，來(lái)實(shí)現(xiàn)多肽分子在一定條件下長(zhǎng)程有序排列的一種手段。由于多肽分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，多肽序列改變導(dǎo)致分子性質(zhì)迥異。因此，預(yù)測(cè)以及設(shè)計(jì)多肽分子自組裝具有很大的難度。早年關(guān)于多肽自組裝的研究主要集中在兩親性多肽分子，β-折疊多肽，首尾相連的環(huán)狀D-L-D型多肽分子，以及FF二肽類分子。對(duì)于更加復(fù)雜的螺旋多肽自組裝，鮮有報(bào)道。原因是螺旋多肽熵值較低，氫鍵網(wǎng)絡(luò)被封鎖在多肽內(nèi)部，難以形成分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。因此，如何操縱具有更加復(fù)雜的二級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽，比如螺旋多肽，實(shí)現(xiàn)可控的自組裝，是目前研究的重難點(diǎn)之一。
近年來(lái)，深研院李子剛課題組開(kāi)發(fā)了多種螺旋多肽構(gòu)建方法，其中包括手性誘導(dǎo)螺旋穩(wěn)定多肽體系（Chirality induced Helicity, CIH）。該方法的特點(diǎn)是通過(guò)在多肽側(cè)環(huán)中引入一個(gè)特定位點(diǎn)的手性中心，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多肽二級(jí)結(jié)構(gòu)的調(diào)控?；谠擉w系，研究人員認(rèn)為：可以通過(guò)主鏈之外的驅(qū)動(dòng)力-側(cè)環(huán)相互作用，來(lái)彌補(bǔ)螺旋多肽主鏈自組裝驅(qū)動(dòng)力不足的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一種新型模式的多肽組裝方法，即所謂的“側(cè)環(huán)驅(qū)動(dòng)”多肽自組裝?；谶@樣一種構(gòu)想，研究人員進(jìn)行了細(xì)致的篩選和表征。他們以五肽為模型，設(shè)計(jì)合成了一系列具有手性側(cè)環(huán)的五肽分子，取名為BDCP （BeiDa cyclic peptide: 北大環(huán)肽）。結(jié)果表明，當(dāng)BDCP為螺旋結(jié)構(gòu)，且側(cè)環(huán)取代基具有芳香性時(shí)，多肽分子可以組裝成納米管/納米帶結(jié)構(gòu)。
多肽分子的結(jié)構(gòu)以及組裝體的SEM照片。
北大深研院蔣帆博士和深圳晶泰公司張佩宇博士等對(duì)多肽自組裝的機(jī)理進(jìn)行了研究。對(duì)多肽組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了晶型預(yù)測(cè)，得到了多肽分子的組裝模型。該模型顯示出了和實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好的一致性。結(jié)果表明，多肽分子間的π-π相互作用，S-π 相互作用，以及氫鍵網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)了多肽分子的組裝。在多肽組裝體中，極性和非極性界面依次形成，且每?jī)蓚€(gè)極性層的偶極子方向相反，這樣使組裝體內(nèi)部的偶極相互作用得以相互抵消，進(jìn)一步穩(wěn)定了組裝體。這也是該領(lǐng)域首次報(bào)道S-π 相互作用參與多肽自組裝的例子。
多肽組裝體的分子晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)示意圖。
在此基礎(chǔ)上，作者進(jìn)一步研究了組裝材料的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。在不同激發(fā)光照射下，多肽組裝體可以發(fā)出從藍(lán)色到紅色熒光。該材料在生物成像領(lǐng)域存在巨大的應(yīng)用前景。在電學(xué)測(cè)試中，課題組和北京大學(xué)深研院新材料學(xué)院王新煒課題組，以及中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟課題組合作，探討了多肽組裝體作為超級(jí)電容器活性材料的儲(chǔ)能性質(zhì)。2009年，來(lái)自以色列的科學(xué)家首次報(bào)道了環(huán)狀苯丙氨酸二肽‘納米森林’材料在儲(chǔ)能方面的應(yīng)用。該研究顯示了多肽材料具有良好的力學(xué)，電學(xué)性質(zhì)，結(jié)合多肽納米材料較高的比表面積，合適的親疏水性，以及優(yōu)良的導(dǎo)電性質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，多肽儲(chǔ)能成為了下一代柔性，可植入，輕質(zhì)，無(wú)污染儲(chǔ)能器件的潛在選項(xiàng)。在本研究中，作者們系統(tǒng)的比較了四組多肽分子的電化學(xué)性質(zhì)，結(jié)果表明多肽材料儲(chǔ)能大小可以通過(guò)多肽序列來(lái)調(diào)控。通過(guò)循環(huán)伏安法，恒流充放電等電化學(xué)測(cè)量手段，證明CIH多肽材料具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，倍率性以及高于FF多肽材料的比電容性質(zhì)。
多肽組裝體的電化學(xué)性質(zhì)測(cè)試。
該項(xiàng)研究不僅在多肽自組裝方面具有重要的理論價(jià)值，而且具有重要的應(yīng)用前景。文章共同一作是北京大學(xué)深研院畢業(yè)生胡寬（博士）以及2014級(jí)博士生江意翔。通訊作者是北京大學(xué)深研院李子剛教授，共同通訊作者為北大深研院王新煒研究員，蔣帆副教授，以及中國(guó)科學(xué)院北京納米能源所李舟研究員。在研究過(guò)程中，得到了美國(guó)威斯康星麥迪遜大學(xué)Samuel Gellman教授的幫助。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委，科技部，以及深圳科創(chuàng)委的相關(guān)科研經(jīng)費(fèi)支持。（文字/胡寬）
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