《ACS Macro Letters》由共聚肽自组装的离子响应水凝胶！

摘要

该文报道了具有前所未有的离子诱导凝胶行为的包含赖氨酸和酪氨酸的统计共聚肽。共聚肽通过一步 N-羧基酸酐 (NCA) 开环聚合获得。除了光谱学和透射电子显微镜 (TEM) 外，还通过原位 SAXS 分析研究凝胶机制。发现这些统计学上聚合的多肽的凝胶化是由于盐离子的存在诱导形成稳定的分子间β-折叠二级结构以及共聚肽之间α-螺旋的聚集。这种行为是统计赖氨酸/酪氨酸共聚肽所独有的，在任何其他氨基酸组合或排列中均未观察到。此外，可以通过调整多肽链长度和离子强度来调整这些水凝胶的扩散和机械性能。

图1. 该文工作示意图。

介绍

水凝胶包含三维交联网络，使其能够容纳大量的水，这使其成为生物医学应用的有吸引力的材料，例如药物输送、伤口敷料、抗菌涂层和再生医学。基于蛋白质（例如胶原蛋白、明胶和丝心蛋白）的天然水凝胶由于其固有的生物相容性，通常是首选材料。它们通过基于肽的生物大分子自组装形成物理水凝胶。尽管这些天然聚合物引起了生物材料研究界的极大关注，但其纯化困难促使研究人员探索合成肽类似物。存在两种主要的合成方法来设计能够形成物理水凝胶的肽。第一个是基于具有精确控制的氨基酸序列的肽的合成，据报道，其中几个例子可以自发或在触发时形成物理水凝胶。虽然主要是寡聚体，但这些肽的长度各不相同，并具有通过疏水、离子、氢键或二级结构相互作用形成自组装纳米结构的共同特征。这些典型的高阶动机包括纳米管、纳米带或纳米球，然后它们聚集形成水凝胶网络。

图文导读

图2. p(Lys80Tyr20)的成胶性质。

作者合成了聚合度为 100与 150的赖氨酸 -酪氨酸无规共聚物（ p(LysxTyry)），其中赖氨酸与酪氨酸的投料比约为 4:1。他们发现此类聚合物在 PBS中即可形成凝胶（图 2），进一步研究显示，其在氯化钙或氯化镁溶液中也能够成胶，这意味着这种成胶过程是由带电离子所介导的。为了对成胶机理进行进一步探究，他们分析了成胶前后的红外以及圆二色谱（图 3），结果显示成胶前体系中主要二级结构为 α-螺旋，而成胶后则为 β -折叠。荧光光谱显示成胶后赖氨酸附近的环境发生了明显的变化；小角衍射说明凝胶体系中有纤维状成分形成。

图3.成胶前后的a) 红外光谱与b) 圆二色谱。

基于以上结果，作者对成胶机理进行了推测。如图 4所示，在低盐浓度下，体系中主导的二级结构为 α-螺旋，盐离子的引入致使这种结构被破坏，并诱导形成了链间的 β -折叠，这种链间的相互作用最终组装为蠕虫状的缠结，进而形成分子网络。作者曾尝试将赖氨酸换为谷氨酸，或者酪氨酸换为苯丙胺酸，均没有办法产生凝胶，意味着该体系具有一定的独特性，他们进一步对盐浓度、聚合物长度对凝胶性质的影响进行了深入的探究。

图4. 可能的成胶机理。

总之，该团队已经展示了离子响应水凝胶化统计共聚肽的第一个例子。提出了一种简单但独特的凝胶化机制，该机制依赖于离子触发的多肽结构重排，从而从分子内二级结构转变为分子间二级结构。这些多孔水凝胶在生理缓冲溶液中形成的事实为生物应用提供了机会，例如通过细胞的结合。未来的工作将集中于测试这些统计共聚肽的更多变化，以更好地了解各种因素对其凝胶机制的贡献以及它们作为生物功能材料的研究。

相关论文以题为 Ion-Triggered Hydrogels Self-Assembled from Statistical Copolypeptides发表在《 ACS Macro Letters》上。 通讯作者是 爱尔兰科研工作者 Bing Wu博士和 Andreas Heise教授。

参考文献：

doi.org/10.1021/acsmacrolett.1c00774、吕华课题组。