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深研院李子刚课题组在《科学·进展》报道螺旋多肽自组装新模式研究成果
日期: 2018-05-16  信息来源: 深圳研究生院

近日,北京大学深圳研究生院李子刚研究组及其合作者在Science子刊Science Advances在线发表关于α-螺旋多肽自组装新模式及其在储能方面的应用的最新研究成果,题为“Tuning peptide self-assembly by an in-tether chiral center”。

多肽分子精准的层级自组装(hierarchical self-assembly),作为一种自下而上(bottom-up) 的生物纳微材料制备方法,其在仿生学、催化、物质分离、生物电子器件领域受到越来越多的重视。与无机纳米材料相比,多肽分子具有来源广泛、天然可降解、生物兼容性好、易于修饰等特点。以FF(F: 苯丙氨酸)二肽及其衍生物为代表,通过一系列物理(电场辅助法,磁场辅助法,温度辅助法,超声辅助法)和化学(pH,溶剂法,催化法)手段,精准操控多肽分子自组装的路径,得到了多肽纳米管、纳米纤维、纳米线、纳米凝胶、纳米量子点等一系列具有特殊结构的纳微多肽材料。这些材料或具备良好的半导体性质,或展现出优越的柔韧性以及特殊的光学性质。在诸如柔性超级电容器/电池、压电器件、生物传感、光导器件,以及生物医学领域得到了广泛的应用。

多肽分子自组装是通过调节多肽分子之间非共价作用,如范德华力、氢键网络、疏水相互作用、π-π相互作用等,来实现多肽分子在一定条件下长程有序排列的一种手段。由于多肽分子结构复杂多样,多肽序列改变导致分子性质迥异。因此,预测以及设计多肽分子自组装具有很大的难度。早年关于多肽自组装的研究主要集中在两亲性多肽分子、β-折叠多肽、首尾相连的环状D-L-D型多肽分子,以及FF二肽类分子。对于更加复杂的螺旋多肽自组装,鲜有报道。原因是螺旋多肽熵值较低,氢键网络被封锁在多肽内部,难以形成分子之间的氢键网络。因此,如何操纵具有更加复杂的二级结构的多肽,比如螺旋多肽,实现可控的自组装,是目前研究的重难点之一。

近年来,深研院李子刚课题组开发了多种螺旋多肽构建方法,其中包括手性诱导螺旋稳定多肽体系(Chirality induced Helicity, CIH)。该方法的特点是通过在多肽侧环中引入一个特定位点的手性中心,可以实现对多肽二级结构的调控。基于该体系,研究人员认为:可以通过主链之外的驱动力-侧环相互作用,来弥补螺旋多肽主链自组装驱动力不足的缺点,实现一种新型模式的多肽组装方法,即所谓的“侧环驱动”多肽自组装。基于这样一种构想,研究人员进行了细致的筛选和表征。他们以五肽为模型,设计合成了一系列具有手性侧环的五肽分子,取名为BDCP(BeiDa cyclic peptide: 北大环肽)。结果表明,当BDCP为螺旋结构,且侧环取代基具有芳香性时,多肽分子可以组装成纳米管/纳米带结构。

多肽分子的结构以及组装体的SEM照片

北大深研院蒋帆博士和深圳晶泰公司张佩宇博士等对多肽自组装的机理进行了研究。对多肽组装结构进行了晶型预测,得到了多肽分子的组装模型。该模型显示出了和实验结果良好的一致性。结果表明,多肽分子间的π-π相互作用、S-π 相互作用,以及氢键网络驱动了多肽分子的组装。在多肽组装体中,极性和非极性界面依次形成,且每两个极性层的偶极子方向相反,这样使组装体内部的偶极相互作用得以相互抵消,进一步稳定了组装体。这也是该领域首次报道S-π相互作用参与多肽自组装的例子。

多肽组装体的分子晶体结构预测示意图

在此基础上,作者进一步研究了组装材料的光学和电学性质。在不同激发光照射下,多肽组装体可以发出从蓝色到红色荧光。该材料在生物成像领域存在巨大的应用前景。在电学测试中,课题组和北京大学深研院新材料学院王新炜课题组,以及中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟课题组合作,探讨了多肽组装体作为超级电容器活性材料的储能性质。2009年,来自以色列的科学家首次报道了环状苯丙氨酸二肽“纳米森林”材料在储能方面的应用。该研究显示了多肽材料具有良好的力学、电学性质,结合多肽纳米材料较高的比表面积、合适的亲疏水性,以及优良的导电性质等优点,多肽储能成为了下一代柔性、可植入、轻质、无污染储能器件的潜在选项。在本研究中,作者系统地比较了四组多肽分子的电化学性质,结果表明多肽材料储能大小可以通过多肽序列来调控。通过循环伏安法、恒流充放电等电化学测量手段,作者证明CIH多肽材料具有良好的循环稳定性、倍率性以及高于FF多肽材料的比电容性质。

多肽组装体的电化学性质测试

该项研究不仅在多肽自组装方面具有重要的理论价值,而且具有重要的应用前景。文章共同一作是北京大学深研院毕业生胡宽(博士)以及2014级博士生江意翔。通讯作者是北京大学深研院李子刚教授,共同通讯作者为北大深研院王新炜研究员、蒋帆副教授,以及中国科学院北京纳米能源所李舟研究员。研究得到美国威斯康星麦迪逊大学Samuel Gellman教授的帮助,以及国家自然科学基金委、科技部、深圳科创委的相关科研经费支持。(文/胡宽)

编辑:山石


   
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