寡肽与多价基元的二维组装及动态响应性
阳离子寡肽与功能性客体分子的共组装体系不仅可以构建新颖的组装结构，而且还赋予了肽材料新的功能应用。目前报道的肽共组装体系中多数集中在零维与一维结构的研究，然而对于二维肽基功能材料的报道较少。区别于一维或零维结构，二维结构因其具有大的表面积，多活性位点，易修饰和独特的物化性质等优点而备受人们关注。然而，目前关于寡肽二维结构的构建与应用仍面临着一些挑战：1）如何限制寡肽分子在两个方向上可控排列；2）如何通过普适的方法拓展寡肽二维结构新体系；3）如何实现寡肽二维结构的动态可调。本论文主要以线型阳离子寡肽为构筑基元，通过引入不同的多价客体分子，在非共价键作用力下于水溶液中共组装构筑了新型智能二维抗菌材料以及耗散二维组装结构，并在此基础上构建了层内有序的二维组装结构。以寡肽共组装体系为模型，我们深入探索了这些二维结构的组装驱动力，形成机理及光响应行为。利用其大的表面积和表面正电性开拓了二维材料在抗菌领域的应用。详细研究工作内容如下： 第一，以响应性阳离子寡肽和三枝杈β-环糊精为构筑基元，通过主客体作用力在中性水溶液中共组装形成智能二维薄层纳米片，并详细探索了该体系在光刺激响应下的形貌转变和抗菌活性的变化。首先，我们合成了光响应的偶氮苯氨基酸，通过传统的固相合成法将其偶联到两亲性寡肽的两端，寡肽中间序列为交替排列的赖氨酸和缬氨酸。同时，借助点击反应合成了三枝杈β-环糊精，然后两构筑基元通过主客体作用力在水溶液中（pH~7）进行组装。透射电镜（TEM）表征结果发现三枝杈β-环糊精能够促使寡肽从无规则零维纳米球向二维片层结构转变。原子力显微镜（AFM）结果表明二维片层组装体厚度仅有1.85nm。当在紫外光/可见光切换照射下，可以实现二维薄层纳米片与无规则纳米球的可逆动态调控。Zeta电势表明水溶液中形貌转变的同时也引发了组装结构表面电势的明显转变，由+44.8mV（超薄纳米片）骤降到+10.2mV（纳米球）。二维纳米片表面高密度的正电荷能够与表面带负电的细菌通过静电作用吸附到细菌表面，然后逐渐插入到细胞膜中，从而抑制其活性，然而纳米球虽然表面带正电但是不足以抑制细菌活性，这是因为与细胞膜的结合力较低。这一形貌转变导致的不同抗菌效果，激发我们借助不同波长的光以非接触的形式在时间，空间以及时空结合的维度上去调节细菌的活性。结合扫描电镜，透射电镜以及激光扫描显微镜等表征证明了二维结构是通过破坏细菌细胞膜引起内外渗透压改变而导致细胞裂解死亡的。此外，该二维体系对不同的革兰氏阴/阳细菌皆表达出较好的抑制效果，同时对小鼠成纤维细胞有较好的生物相容性。降低寡肽残基的疏水性以及减少赖氨酸个数将减弱对细菌的抑制效果，这是由于减弱了与细菌细胞膜的作用。 第二，以响应性阳离子寡肽和尺寸可调的多金属氧酸盐为构筑基元，利用多重非共价作用力在水溶液中成功构建了光驱动的非平衡二维超薄纳米片，并进一步探索了该体系在光刺激响应下形貌的可逆转变以及组装机理。首先，我们设计合成了9-Fmoc-4-偶氮苯基-苯丙氨酸（Fmoc-azo）和9-Fmoc-4-三（乙二醇）-甲醚-酪氨酸（Fmoc-PEG），通过固相合成法制备得到两亲性响应性寡肽，其两端带有两个碱性赖氨酸，中间为交替排列的亲性水Fmoc-PEG和疏水性Fmoc-azo氨基酸，然后与适当尺寸的多金属氧酸盐在水溶液中通过静电交联形成二维耗散组装结构。圆二色谱结果表明多金属氧酸盐可促使两亲性寡肽从无规则和β-sheet混合的二级结构逐渐转向β-sheet构象，当两种构筑基元的摩尔比接近1∶1时，寡肽二级结构完全转变为经典的β-sheet构象。TEM表征结果显示将两构筑基元形成的复合物水溶液置于紫外光下，可形成二维片层结构，且仅当持续输入紫外光能才可维持二维组装结构的存在。当将其置于黑暗中避光静置后，二维结构将先发生皱褶卷曲，再逐渐裂解成短纤维，最后形成稳定的纳米球。AFM表征结果显示二维组装体的厚度为5.5nm，证明了该二维纳米片是以双分子层堆积形成的。TEM结果表明二维耗散组装的形成归因于肽链中顺式偶氮苯的立体结构与多金属氧酸盐的尺寸相互匹配，当我们将空间型的多金属氧酸盐替换成平面型的四磺酸基卟啉，再与阳离子寡肽共组装则可形成纳米片结构，紫外光照射下转变为纳米球；增加或减小多金属氧酸盐的尺寸大小，再与阳离子寡肽共组装形成了纳米球，这说明构筑基元间尺寸不匹配性将产生界面曲率从而形成纳米球结构。此外，通过输入/切断光源可以实现非平衡态二维纳米片与平衡态零维纳米球的可逆转化。这为构筑新颖耗散二维体系在方法和原理上提供了新思路。 第三，前面光响应阳离子寡肽与多金属氧酸盐构筑的非平衡态二维体系中，构筑基元在二维纳米片中以无序方式排列在片层中。为了得到二维有序组装结构，我们进一步优化阳离子寡肽，使其两端携带一个赖氨酸残基，中间为亲水丝氨酸与疏水色氨酸交替排列，利用多重非共价作用力与多金属氧酸盐进行共组装。圆二色谱结果表明在水溶液中多金属氧酸盐可以诱导该阳离子寡肽的二级结构由无规则构象逐渐转变为β-sheet构象。TEM结果表明寡肽自组装形貌为无规则纳米球，与多金属氧酸盐共组装后的形貌为二维片层结构。AFM和X射线衍射结果表明寡肽是以双分子层堆积方式形成的二维纳米片，其厚度约为1.43nm。此外，该二维体系对多金属氧酸盐的尺寸要求相对宽泛，例如与EuW10、CoW12、P2W18和P5W30交联都能形成二维薄层纳米纳米片，这可能是因为寡肽两端减少的赖氨酸能够避免与多金属氧酸盐的错位交联，以及β-sheet堆积距离与多金属氧酸盐尺寸相匹配。我们通过替换色氨酸残基为疏水性较弱的苯丙氨酸、亮氨酸、丙氨酸后，与多金属氧酸盐交联后发现：随着疏水性的逐渐减弱，二维纳米片逐渐解离，而且形成的纳米片内部构筑基元的有序度逐渐降低。此外，我们将寡肽两端的赖氨酸替换成丝氨酸以及谷氨酸，发现没有二维结构的出现，而且形成的复合物不稳定，较短时间内容易沉淀在溶液底部，这表明了二维有序纳米片的构筑主要驱动力是静电作用力，寡肽残基的疏水堆积和主链间定向氢键作用，为构筑二维有序纳米阵列提供了新策略。 总之，我们以阳离子寡肽为构筑基元，利用非共价作用力与不同的客体分子在水溶液中共组装，成功构筑了时空响应的二维抗菌材料，耗散二维组装结构和组装有序的二维结构，为寡肽二维结构的设计和应用提供了新思路，新方法。
阳离子寡肽;多价基元;二维组装;光响应性;抗菌活性
吉林大学
硕士
物理化学
任咏华
2020
中文
TB347
2020-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）