今天帶來近期發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上的“Solvent Effects on the Self-Assembly of an Amphiphilic Polypeptide Incorporating α‐Helical Hydrophobic Blocks”。本文的通訊作者是來自CEMS(RIKEN Center for Emergent Matter Science)的Motoki Ueda教授。
多肽、蛋白等的組裝行為和它們的生物功能息息相關(guān)，而組裝過程同時(shí)受到其自身性質(zhì)和所處環(huán)境的影響。例如，許多的有機(jī)小分子能增強(qiáng)或削弱蛋白質(zhì)內(nèi)部的氫鍵，從而影響其折疊過程。水溶液中，尿素能利用其酰胺鍵和蛋白質(zhì)或聚多肽主鏈、側(cè)鏈結(jié)合，減弱分子內(nèi)氫鍵，穩(wěn)定其非折疊態(tài)。相反地，氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide, TMAO)能增強(qiáng)蛋白質(zhì)內(nèi)部氫鍵的結(jié)合力，穩(wěn)定其折疊態(tài)。和水形成雙組分混合溶劑后，乙醇、乙腈等有機(jī)溶劑也起到和上述有機(jī)小分子類似的作用，但作用機(jī)制尚不明確。
于是，作者利用一種兩親性的聚多肽S30L12作為研究對象，深入探究其在不同組成混合溶液中的組裝過程。如圖1(A)所示，聚多肽的親水鏈段是由30個(gè)肌氨酸片段構(gòu)成的，而疏水鏈段是由6個(gè)亮氨酸、氨基異丁酸二元組構(gòu)成，能形成α螺旋。水溶液中，該聚多肽能形成彎曲片層。加熱后，疏水相互作用增加，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的納米管。當(dāng)水溶液更換為雙組分混合溶劑后，該聚多肽也能發(fā)生類似的組裝過程。本文中，作者選用乙醇或乙腈作為第二組分混合溶劑。乙醇分子能增強(qiáng)周圍水分子之間形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，混合焓變?yōu)樨?fù)（放熱），這類溶劑被稱為“促氫鍵溶劑”(hydrogen-bond makers)；而乙腈在水溶液中會發(fā)生自締合，破壞周圍水分子之間的氫鍵，混合焓變?yōu)檎ㄎ鼰幔?，這類溶劑被稱為“抗氫鍵溶劑”(hydrogen-bond breakers)。“促氫鍵溶劑”能增強(qiáng)聚多肽組裝體中的疏水作用，“抗氫鍵溶劑”卻削弱疏水作用(如圖2)。
圖1. (A)兩親性聚多肽S30L12的分子結(jié)構(gòu)；(B)混合溶劑輔助納米管生成的示意圖
圖2. S30L12在水或混合溶劑中的組裝過程示意圖
如圖3和圖4所示，S30L12在不同組分的EtOH/H2O或者ACN/H2O混合溶液中室溫放置足夠長的時(shí)間都會轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米管，但是轉(zhuǎn)變過程中組裝結(jié)構(gòu)的變化和轉(zhuǎn)化速率會隨著溶劑變化而產(chǎn)生差異。
圖3. S30L12在不同組成EtOH/H2O混合溶劑的TEM譜圖(scale bars = 500 nm)
圖4. S30L12在不同組成ACN/H2O混合溶劑的TEM譜圖(scale bars = 500 nm)
對于EtOH/H2O混合溶劑體系，EtOH濃度較低時(shí)(vol% = 1%、10%)，S30L12會先形成彎曲片層，再形成短的“螺旋帶狀結(jié)構(gòu)”，最后“螺旋帶狀結(jié)構(gòu)”增長，管徑變粗；EtOH濃度較高時(shí)(vol% = 20%、30%)，S30L12會先生成“扭曲帶狀結(jié)構(gòu)”，然后扭曲角度逐漸減小，最終形成納米管(如圖5)。EtOH會插入到疏水的α螺旋堆積層中，降低堆積密度，因此EtOH濃度高會導(dǎo)致“扭曲帶狀結(jié)構(gòu)”的生成。EtOH濃度高時(shí)，組裝體轉(zhuǎn)變速率也會顯著上升。根據(jù)圖2，高濃度的EtOH會破壞組裝體周圍的“水層”，加速不同組裝體之間的融合。
圖5. (A)S30L12組裝體在EtOH/H2O混合溶劑的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程示意圖；(B)扭曲片層和“扭曲帶狀結(jié)構(gòu)”的示意圖
對于ACN/H2O混合溶劑體系，ACN濃度低時(shí)(vol% = 10%)，S30L12組裝體會在4周才完成從“扭曲帶狀結(jié)構(gòu)”到“螺旋帶狀結(jié)構(gòu)”的轉(zhuǎn)變，非常緩慢；而ACN濃度高時(shí)(vol% = 30%)，S30L12不會形成“扭曲帶狀結(jié)構(gòu)”，而直接生成“螺旋帶狀結(jié)構(gòu)”。因?yàn)?span style="font-variant-numeric: normal; font-variant-east-asian: normal; font-stretch: normal; line-height: normal; font-family: "Times New Roman";">ACN濃度高時(shí)，ACN/H2O的混合焓變會大大增加，促進(jìn)ACN自締合團(tuán)簇的生成。這時(shí)，S30L12加入到其中，疏水鏈段形成的α螺旋堆積密度會顯著降低。于是，“扭曲帶狀結(jié)構(gòu)”根本無法形成。
綜上所述，EtOH能調(diào)節(jié)聚多肽α螺旋堆積密度，同時(shí)增強(qiáng)水分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)(增強(qiáng)聚多肽之間的疏水相互作用)；高濃度ACN會在水中形成自締合團(tuán)簇，聚集在聚多肽疏水核周圍，加速“螺旋組裝體”的生成。
作者：LXY 審校：ZZC
DOI: 10.1021/jacs.0c03425
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c03425
