JACS|有机溶剂对于具有α螺旋疏水链段的两亲性聚多肽自组装过程的影响
大家好，今天带来近期发表在J. Am. Chem. Soc.上的“Solvent Effects on the Self-Assembly of an Amphiphilic Polypeptide Incorporating α‐Helical Hydrophobic Blocks”。本文的通讯作者是来自CEMS(RIKEN Center for Emergent Matter Science)的Motoki Ueda教授。
多肽、蛋白等的组装行为和它们的生物功能息息相关，而组装过程同时受到其自身性质和所处环境的影响。例如，许多的有机小分子能增强或削弱蛋白质内部的氢键，从而影响其折叠过程。水溶液中，尿素能利用其酰胺键和蛋白质或聚多肽主链、侧链结合，减弱分子内氢键，稳定其非折叠态。相反地，氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide, TMAO)能增强蛋白质内部氢键的结合力，稳定其折叠态。和水形成双组分混合溶剂后，乙醇、乙腈等有机溶剂也起到和上述有机小分子类似的作用，但作用机制尚不明确。
于是，作者利用一种两亲性的聚多肽S30L12作为研究对象，深入探究其在不同组成混合溶液中的组装过程。如图1(A)所示，聚多肽的亲水链段是由30个肌氨酸片段构成的，而疏水链段是由6个亮氨酸、氨基异丁酸二元组构成，能形成α螺旋。水溶液中，该聚多肽能形成弯曲片层。加热后，疏水相互作用增加，转变为稳定的纳米管。当水溶液更换为双组分混合溶剂后，该聚多肽也能发生类似的组装过程。本文中，作者选用乙醇或乙腈作为第二组分混合溶剂。乙醇分子能增强周围水分子之间形成氢键网络的稳定性，混合焓变为负（放热），这类溶剂被称为“促氢键溶剂”(hydrogen-bond makers)；而乙腈在水溶液中会发生自缔合，破坏周围水分子之间的氢键，混合焓变为正（吸热），这类溶剂被称为“抗氢键溶剂”(hydrogen-bond breakers)。“促氢键溶剂”能增强聚多肽组装体中的疏水作用，“抗氢键溶剂”却削弱疏水作用(如图2)。
图1. (A)两亲性聚多肽S30L12的分子结构；(B)混合溶剂辅助纳米管生成的示意图
图2. S30L12在水或混合溶剂中的组装过程示意图
如图3和图4所示，S30L12在不同组分的EtOH/H2O或者ACN/H2O混合溶液中室温放置足够长的时间都会转变为纳米管，但是转变过程中组装结构的变化和转化速率会随着溶剂变化而产生差异。
图3. S30L12在不同组成EtOH/H2O混合溶剂的TEM谱图(scale bars = 500 nm)
图4. S30L12在不同组成ACN/H2O混合溶剂的TEM谱图(scale bars = 500 nm)
对于EtOH/H2O混合溶剂体系，EtOH浓度较低时(vol% = 1%、10%)，S30L12会先形成弯曲片层，再形成短的“螺旋带状结构”，最后“螺旋带状结构”增长，管径变粗；EtOH浓度较高时(vol% = 20%、30%)，S30L12会先生成“扭曲带状结构”，然后扭曲角度逐渐减小，最终形成纳米管(如图5)。EtOH会插入到疏水的α螺旋堆积层中，降低堆积密度，因此EtOH浓度高会导致“扭曲带状结构”的生成。EtOH浓度高时，组装体转变速率也会显著上升。根据图2，高浓度的EtOH会破坏组装体周围的“水层”，加速不同组装体之间的融合。
图5. (A)S30L12组装体在EtOH/H2O混合溶剂的结构转变过程示意图；(B)扭曲片层和“扭曲带状结构”的示意图
对于ACN/H2O混合溶剂体系，ACN浓度低时(vol% = 10%)，S30L12组装体会在4周才完成从“扭曲带状结构”到“螺旋带状结构”的转变，非常缓慢；而ACN浓度高时(vol% = 30%)，S30L12不会形成“扭曲带状结构”，而直接生成“螺旋带状结构”。因为ACN浓度高时，ACN/H2O的混合焓变会大大增加，促进ACN自缔合团簇的生成。这时，S30L12加入到其中，疏水链段形成的α螺旋堆积密度会显著降低。于是，“扭曲带状结构”根本无法形成。
综上所述，EtOH能调节聚多肽α螺旋堆积密度，同时增强水分子之间的氢键网络(增强聚多肽之间的疏水相互作用)；高浓度ACN会在水中形成自缔合团簇，聚集在聚多肽疏水核周围，加速“螺旋组装体”的生成。
作者：LXY 审校：ZZC
DOI: 10.1021/jacs.0c03425
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c03425