弗吉尼亚理工John Matson团队 | 含苯基多肽两亲分子自组装形成离子导电型纳米螺旋的实验与理论研究
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自组装是构建功能性材料的一种有效手段。无论是自然界细胞内微管的形成还是合成材料中水凝胶的形成都离不开自组装。在过去的几十年里，大量的研究工作主要依赖于实验手段来揭示自组装材料的结构、性质与功能之间的关系。虽然多种实验手段相结合能较好揭示这一关系，但是仍存在不少问题，如对自组装的方式与路径知之甚少。
近日，美国弗吉尼亚理工大学化学系John Matson课题组采用实验手段和计算机模拟相结合的方式研究了一系列含苯基多肽两亲分子的自组装行为，并利用计算机模拟预测和验证这些自组装形成的纳米螺旋可作为离子导电型材料。首先，文章选用两个四肽分子作为研究对象。透射电镜的实验结果表明，提高溶液中盐离子的浓度可以使得含苯基的四肽两亲分子自组装得到的形貌从纳米条带转变成纳米螺旋（图1）。
图1: 两种含苯基四肽KSNEKS（A和C）和KSC’EKS（B和D）两亲分子自组装形成的纳米结构
接着，该工作以其中一个四肽分子KSNEKS为例，详细研究了盐离子浓度对自组装形貌的影响，并利用计算机模拟跟踪四肽自组装成纳米条带和纳米螺旋的全过程。研究结果表明，KSNEKS在低盐浓度时自组装成纳米条带。但是，随着溶液中盐离子浓度的不断提高，四肽分子中谷氨酸的羧基残基之间的排斥作用不断减弱，使得纳米条带缓慢卷曲，最后转变成纳米螺旋 （图2）。但是，由于溶液中的盐不能完全屏蔽羧基之间的排斥作用，因此，纳米螺旋不能进一步向其他形貌比如纳米管进行转变。
图2: KSNEKS自组装形貌随盐浓度变化的TEM图
利用计算机模拟多肽在低盐环境和高盐环境中的自组装，可有效复原实验过程中所观察到的纳米条带和纳米螺旋的自组装过程。另外研究结果表明，在纳米条带的形成过程中，亲水作用占主导作用，而疏水作用的不断增加是形成纳米螺旋的关键因素。分析计算机模拟结果发现，在纳米螺旋中多肽分子的各个部分（亲水和亲水部分，疏水和疏水部分）之间的距离都比在纳米纳米条带中更短 （图3）。
图3: 纳米条带和纳米螺旋计算机模拟结果分析对比
由于纳米螺旋中多肽的亲水部分互相靠的很近，且羧基具有传导离子的能力，最后作者研究了两种自组装形貌对离子传导能力的影响。研究结果表明，纳米螺旋的离子传导能力比纳米条带和多肽分子（无组装形貌）要高 （图4），并且这一参数是常见导电分子（如藻朊酸盐、DNA等）传导离子能力的5-10倍。
图4: KSNEKS不同组装形貌和分子形态对离子传导能力的影响
这项工作以两亲性四肽为研究目标，报导了一种基于KSXEKS来制备稳定纳米螺旋的新方法。同时，研究结果还揭示了利用多肽设计的细微变化可引起形貌及其性能上的巨大变化，为设计新材料特别是离子传导型材料提供思路。
点击“阅读原文”直达上述文章
A combined experimental and computational approach reveals how aromatic peptide amphiphiles self-assemble to form ion-conducting nanohelices
Yin Wang, Yaxin An, Yulia Shmidov, Ronit Bitton, Sanket A. Deshmukh and John B. Matson
Mater. Chem. Front., 2020，Advance Article
http://dx.doi.org/10.1039/D0QM00369G
*文中图片皆来源上述文章
通讯作者简介
John Matson 副教授
弗吉尼亚理工大学 化学系
John Matson，弗吉尼亚理工大学化学系副教授。2009年在加州理工学院获得博士学位，导师Robert Grubbs教授。2009年—2012年在美国西北大学Samuel Stupp教授课题组进行博士后研究工作。2012年秋季起就职于弗吉尼亚理工大学化学系。John Matson教授的研究领域为气体信号分子传递、光和可降解高分子合成、多肽基刺激响应性材料等。在相关领域发表SCI收录文章70余篇，获美国专利1项，申请美国专利3项，论文引用3300余次，H-index =29。
课题组链接: https://matsonlab.com/
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