對于手性結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控在化學(xué)合成、物理光學(xué)和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。近年來，分子手性對多肽、氨基酸自組裝的影響引起了廣泛關(guān)注。與純對映異構(gòu)體相比，外消旋體的共組裝會(huì)因手性分子的空間構(gòu)型和相互作用的不同而改變組裝過程，從而形成特殊功能的組裝體。多肽中氨基酸殘基與金屬離子的配位作用在生物體中普遍存在（如金屬酶），其在自然界中與生命活動(dòng)的進(jìn)行息息相關(guān)。然而，與天然金屬酶及仿酶材料相比，基于多肽與金屬離子配位自組裝的酶模擬物的分子結(jié)構(gòu)的精確測定，以及氨基酸殘基的手性對其組裝結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能的影響，在很大程度上仍然未知。受此啟發(fā)，天津大學(xué)化工學(xué)院酶工程與技術(shù)課題組報(bào)道了苯丙氨酸二肽(Phe-Phe，F(xiàn)F)與二價(jià)銅離子的配位組裝，通過改變氨基酸殘基的手性來調(diào)控組裝過程，結(jié)果表明單一對映體FF和外消旋FF分別與Cu2+自組裝形成了不同手性的配位結(jié)構(gòu)，而后者顯示出更強(qiáng)的力學(xué)性質(zhì)、催化活性和穩(wěn)定性（圖1）。
圖1.單一對映體的FF和外消旋FF分別與Cu2+自組裝形成不同的手性配位結(jié)構(gòu)，后者顯示出增強(qiáng)的力學(xué)性質(zhì)、催化活性和穩(wěn)定性。 研究者對不同組裝體的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。(L)-FF-Cu和(D)-FF-Cu具有鏡像的圓二色（CD）和振動(dòng)圓二色（VCD）信號，而(L+D)-FF-Cu手性信號較弱，表明(L+D)-FF-Cu與(L)-FF-Cu和(D)-FF-Cu具有不同的二級結(jié)構(gòu)。(L)-FF-Cu晶體中一個(gè)銅離子與三個(gè)相鄰的(L)-FF分子配位形成五配位結(jié)構(gòu)。銅離子的配位位點(diǎn)是氨基上的氮原子、羧基上的兩個(gè)氧原子、以及酰胺鍵上的氮原子和氧原子，最后形成了以銅離子為中心的不規(guī)則金字塔狀的幾何結(jié)構(gòu)，銅離子處于高度不對稱的環(huán)境中（圖2）。(L+D)-FF-Cu晶體中銅離子與兩個(gè)相鄰的FF分子配位形成四配位結(jié)構(gòu)。配位位點(diǎn)分別為氨基上的氮原子、羧基上的氧原子、以及酰胺鍵上的氮原子和氧原子。特別的是，由銅連接的兩個(gè)FF分子是對映體結(jié)構(gòu)，分別位于其兩側(cè)，從而形成交替的(L)-Cu-(D)-Cu鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，銅離子處于弱不對稱的環(huán)境中（圖3）。圖2. (L)-FF-Cu單晶結(jié)構(gòu)分析：a)一級結(jié)構(gòu); b) (L)-FF分子與周圍的三個(gè)銅離子的配位結(jié)構(gòu); c) 交替的層狀超分子堆積結(jié)構(gòu); d) ab晶面的超分子堆積結(jié)構(gòu); e) bc晶面的超分子層狀堆疊結(jié)構(gòu)。圖3. (L+D)-FF-Cu單晶結(jié)構(gòu)：a)一級結(jié)構(gòu); b) ab晶面超分子堆積結(jié)構(gòu); c) ac晶面的超分子堆積結(jié)構(gòu); d) bc晶面超分子層狀堆積結(jié)構(gòu)。研究者探究了不同晶體的機(jī)械強(qiáng)度。(L)-FF-Cu和(L+D)-FF-Cu的楊氏模量分別14.09±0.009 GPa和34.36±0.06 GPa（圖4a-b），遠(yuǎn)大于其他生物材料。其中(L+D)-FF-Cu晶體顯示出較高楊氏模量的原因主要?dú)w因于高度有序的層狀結(jié)構(gòu)、致密的疏水層和規(guī)則的鏈?zhǔn)脚湮唤Y(jié)構(gòu)（圖4c）。圖4. (L)-FF-Cu（a）和(L+D)-FF-Cu（b）晶體的楊氏模量及機(jī)理分析（c）。 最后，選擇對苯二酚作為反應(yīng)底物，考察了(L)-FF-Cu和(L+D)-FF-Cu的仿漆酶催化性能（圖5）。結(jié)果顯示，等質(zhì)量濃度的(L)-FF-Cu和(L+D)-FF-Cu晶體均表現(xiàn)出比天然漆酶更高的催化活性，且二者具有更好的耐高溫和耐鹽特性。米氏方程擬合結(jié)果表明，二者表現(xiàn)出酶催化動(dòng)力學(xué)特征，且(L+D)-FF-Cu計(jì)算催化效率為(L)-FF-Cu的1.14倍。此外，在重復(fù)使用性能上，(L)-FF-Cu催化劑在第一次循環(huán)后催化活性下降明顯，而(L+D)-FF-Cu催化劑在5次循環(huán)后仍表現(xiàn)出良好的重復(fù)使用性能，表明(L+D)-FF-Cu更為規(guī)則的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)有利于更多的活性中心暴露以及更好的水穩(wěn)定性。圖5. a) 催化反應(yīng)示意圖; b) 等質(zhì)量濃度的不同催化劑隨時(shí)間的催化效率; c) 不同催化劑的相對催化活性隨時(shí)間變化; d) 反應(yīng)初始速率(V0)隨時(shí)間的變化; e) 溫度對不同催化劑的相對活性的影響; f) 不同催化劑在不同離子強(qiáng)度下的相對活性; g) FF-Cu催化劑的可重復(fù)使用性。 相關(guān)研究證明多肽分子手性可以調(diào)控多肽-金屬配位組裝體的形貌、配位結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)。由于(L+D)-FF-Cu具有更穩(wěn)定的四配位的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，因此具有更高的機(jī)械性能、計(jì)算催化效率和重復(fù)使用性。這項(xiàng)工作為通過改變組裝基元的手性來制備具有更高性能的功能材料提供了一種有效的思路。天津大學(xué)化工學(xué)院博士畢業(yè)生、蘇州大學(xué)張偉教授課題組博士后張弓、天津大學(xué)化工學(xué)院博士生梁耀宇為論文共同第一作者，天津大學(xué)化工學(xué)院王躍飛副研究員、齊崴教授為通訊作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金（21621004, 22078239）資助。
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https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01912
來源：高分子科學(xué)前沿
