分享一篇近期發(fā)表在ACS Macro Letters上的研究進(jìn)展，題為Supramolecular Self-Assembly of Engineered Polyproline Helices。這篇文章的通訊作者是英國(guó)肯特大學(xué)的Aniello Palma。
超分子材料是一類由小分子非共價(jià)相互作用結(jié)合形成的新型材料，在化學(xué)催化、生命科學(xué)、制藥工程、以及能源科學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。超分子材料的獨(dú)特之處在于非共價(jià)相互作用能夠調(diào)控材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)和功能，賦予材料刺激響應(yīng)性或自愈特性等優(yōu)異性能。
近年來(lái)，多肽、脂質(zhì)和DNA等生物分子被廣泛作為新型2D和3D生物材料的構(gòu)建模塊。其中，多肽結(jié)構(gòu)極為豐富，且具有生物相容性好和制備簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。然而，多肽序列中氨基酸的種類與位置會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的分子間與分子內(nèi)相互作用，可能影響自組裝結(jié)構(gòu)的正常形成。
在以往工作中，作者通過(guò)多肽固相合成方法合成了N端9-芴基甲氧基羰基(Fmoc)修飾且C端酰胺化的四聚脯氨酸(P4, 圖1)，并且發(fā)現(xiàn)這種短肽能夠形成剛性PPⅡ螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)而在氫鍵驅(qū)動(dòng)下形成超分子框架。本文中，作者合成了P4的羥基化衍生物，并且表征了這些功能化四肽的自組裝能力。
圖1. 四聚脯氨酸結(jié)構(gòu)式
圖2. 晶體中四聚脯氨酸分子排列示意圖
從晶體結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，P4中Pro1(N末端)和Pro4(C末端)沿b軸方向與相鄰肽的羰基接觸較為緊密(圖2a)，因此作者認(rèn)為在吡咯烷環(huán)的4號(hào)位引入羥基有利于形成分子間氫鍵，并且不會(huì)顯著影響分子排列形式。如圖3所示，作者推斷四聚脯氨酸可以通過(guò)酰胺間的氫鍵相互作用、Fmoc基團(tuán)間的π-π相互作用以及同一平面上額外引入的氫鍵相互作用形成結(jié)構(gòu)相似的2D片層結(jié)構(gòu)?；谶@些思考，作者用4-羥脯氨酸(Hyp)替代脯氨酸合成了一系列P4衍生物。
圖3. 四聚脯氨酸分子潛在H供體位點(diǎn)以及堆疊方式示意圖
作者首先將Pro取代為Hyp，合成了HP3和P3H。晶體結(jié)構(gòu)示意圖表明HP3中羥基在b軸方向上驅(qū)動(dòng)形成了1D氫鍵帶(圖2b)，并且在形成原有片層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，這些2D片層還會(huì)在輕微位移后堆疊形成3D框架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致晶胞內(nèi)不存在溶劑分子通道(圖4a)。然而，作者發(fā)現(xiàn)P3H晶體則具有多孔結(jié)構(gòu)(圖4d)，說(shuō)明改變單體分子結(jié)構(gòu)可以調(diào)控整體結(jié)構(gòu)性質(zhì)。
隨后，作者推測(cè)N端和C端可以同時(shí)羥基化且互不影響，于是合成了HP2H以及羥基指向相反的Cis-HP2H。結(jié)果表明，HP2H與HP3的晶體同構(gòu)(圖5)，只在晶胞參數(shù)上有很小的差異(圖4b)；而Cis-HP2H則更傾向于形成分子內(nèi)氫鍵，限制了分子間相互作用的形成，晶體結(jié)構(gòu)中充滿了溶劑通道(圖4e)。
不難看出，氫鍵在功能化四聚脯氨酸形成自組裝結(jié)構(gòu)的過(guò)程中發(fā)揮重要作用，因此作者認(rèn)為即使沒(méi)有Fmoc基團(tuán)間的π-π相互作用，羥脯氨酸殘基之間也能通過(guò)氫鍵形成2D組裝結(jié)構(gòu)。于是，作者用乙?；娲?/span>Fmoc合成了Ac-HP2H。結(jié)果表明，Ac-HP2H分子雖然無(wú)法沿兩個(gè)軸延伸(圖4c)，但是保留了PPⅡ螺旋結(jié)構(gòu)和分子間氫鍵(
