JACS：双组份形态可变多肽纳米材料

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生物体中，蛋白、脂质、DNA、RNA等大分子共同组成的组装系统非常复杂，但又十分有序，能实现精细生命活动的调控。对这些系统的人工模拟成为了自组装等领域研究者眼中的“圣杯”。在用于实现这一目标的各类砌块（building blocks）中，多肽、蛋白、核酸等具有序列可控、生物兼容性好等的特点，受到广泛关注。由于碱基配对的存在，作为砌块时，核酸的自组装行为能够很好预测，基于此发展出了DNA折纸技术等设计手段。但是，多肽或蛋白之间的作用力是非常复杂的，所以它们的组装过程很难进行精准调控。而本文的作者设计了一种二元多肽自组装体系，它的两种“砌块”具有相反的电荷。通过序列、组装条件的改变，组装体的结构能实现精准调控，还可完成管状和层状结构之间的切换。

如图1(a)所示，之前的工作中，作者通过一种三嵌段电荷自互补胶原蛋白样多肽（collagen-mimetic peptides, CMPs）完成了纳米片状结构的设计和构建。这种CMPs能折叠为刚性棒状三螺旋砌块，两端具有相反的电荷。纳米片层中，相邻的砌块是反平行的，所以它的上下两面完全对称（如图1(b)）。但是，单一组分能引入的结构信息十分有限。于是，作者将这种CMPs进行了“拆分”，形成了两类具有相反电荷的CMPs，一种N端带有正电荷，另一种C端带有“互补”的负电荷。进一步地，他们完成了一种新型双组分自组装体系的构建（如图1(c)）。

图1. (a)三嵌段的电荷自互补CMP序列; (b)低于T_m时，三嵌段CMPs形成的二维自组装片层结构; (c)拆分后，两种电荷互补的CMP以及它们的组装结构; (d)本研究所使用的CMPs序列

如图1(d)所示，本文所用的CMPs序列均已知，作者使用多肽固相合成方法完成了其制备。之后，作者选取了具有电荷数目相同的R4P6和P6E4进行性质研究以及组装。他们发现刚性棒状三螺旋砌块的形成对后续双组分的共组装过程至关重要。从图2(a)(b)，R4P6和P6E4都能在经过一周孵育后折叠成三螺旋结构，而且带有正电荷的R4P6形成三螺旋的倾向更为明显。4 ^oC下，R4P6（1 mg/mL）在MOPS缓冲溶液（20 mM, pH 7.0）中最大程度地形成三螺旋。而P6E4在相同溶液中完成热退火，迅速加入到R4P6溶液中。经数分钟搅拌，溶液变浑浊，表明组装体的形成。但令人惊奇的是，组装体不是片层结构，而是数十微米长、数百纳米宽的管状结构（如图2(c)(d)）。经过染色（图2(d)），管状结构内外层结构不同。同时，管壁出现多重条纹，表明组装体可能是由多个同轴薄层堆叠而成。

图2. (a)R4P6、P6E4以及R4P6/P6E4等比例混合体系的CD谱图; (b) CD谱图中224 nm处信号随温度变化关系; (c)共混后，R4P6/P6E4形成纳米管的TEM谱图

将R4P6更换为R6P6后，两种砌块的电荷数目产生差异，表现出截然不同的组装性质。R6P6/P6E4双组分组装体系在不同pH的缓冲溶液中能形成不同的纳米组装体。在中性或酸性溶液中（20 mM, pH 6.0 MES缓冲溶液或20 mM, pH 7.0 MOPS缓冲溶液），它们能形成厚度为17 nm的平行四边形片层结构（如图3）。在碱性溶液中（20 mM, pH 8.0 TAPS缓冲溶液），它们能形成厚度为10 nm的管状结构（如图4）。

图3. R6P6/P6E4形成的纳米片层结构表征结果。

图4. R6P6/P6E4形成的纳米管状结构表征结果。

作者还观察到一个有趣的现象：管状结构的内径和层数的关系不是线性变化的（如图5(d)）。当层数为2或3时，内径接近100 nm。但是，当层数增加到4或4以上时，内径会突跃至170 nm左右。根据表征，作者认为这是由于片层结构卷曲方向不同导致的。而片层和管状结构的转化是由于组装体表面净电荷变化导致的。当碱性条件，组装体表面净电荷较少，片层能形成有效的卷曲。但当中性或酸性条件时，组装体表面带有许多的正电荷，管状结构变得不再稳定。

图5. 纳米管模型以及相关表征。

综上所述，作者将原本电荷自补足的三螺旋CMPs拆分为两种带有不同电荷的CMPs。当带有相反电荷的砌块电荷数目相同时，它们等比例混合能形成片层结构。当正电荷砌块电荷数目大于负电荷砌块（R6P6/P6E4）时，它们等比例混合体系能在中性或酸性条件形成片层结构，组装体表面带有正净电荷；而在碱性条件下，它们会形成管状结构，组装体表面净电荷很小。后续，作者进一步拓展了这一体系，完成了对R3P6/P6E4双组分体系的研究，甚至能引入GFP等化学修饰，充分展现了这一策略在药物递送、门控催化等领域的应用潜力。

    该研究以“Shape-Shifting Peptide Nanomaterials: Surface Asymmetry Enables pH-Dependent Formation and Interconversion of Collagen Tubes and Sheets”为题, 发表在J. Am. Chem. Soc.上。本文的通讯作者是来自埃默里大学的Vincent P. Conticello。

原文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c08174

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