Contents
1 Introduction
2 Design of chiral self-assembling peptides
2.1 Modulation of peptide sequence
2.2 Changing the configuration of amino acid residues
3 Effect of assembly environment on self-assembling behavior
3.1 pH
3.2 Solvent
3.3 Additives: metal ions and counterions
3.4 Light irradiation
3.5 Other factors
4 Applications of the self-assembled chiral materials
4.1 Chiral catalysis
4.2 Chiral sensing
4.3 Chiral templates
4.4 Chiral optics
5 Conclusions and outlook
1 引言
分子自组装是指分子基元通过弱相互作用自发聚集形成有序结构的过程[1]。该过程广泛存在于自然界中,作为一种自下而上的合成手段在化学、材料、生物等领域有着广泛的应用。多肽是生物体内重要的活性物质,由多种氨基酸通过肽键按照一定的顺序结合而成。肽类分子自组装具有结构多样、合成简单、生物相容性好等优点,可以通过选择特定氨基酸,设计合成具有一定序列的多肽分子。这些多肽分子可通过分子间氢键、范德华力、π-π堆积作用、静电相互作用等形成多种组装体材料。1993年,Ghadiri等[2]首次合成出含有8个氨基酸的环肽结构,并利用该分子自组装形成了环肽纳米管。近年来,可自组装形成纳米结构的多肽分子种类不断增多,如芳香族二肽[3]、类表面活性剂多肽[4,5]、环肽[6,7]及多肽衍生物[8]等,在仿生医学[9]、细胞组织工程[10]、催化[11]等领域具有重要的应用前景。
本文详细介绍了多肽手性自组装体系的设计、调控及其在手性催化、检测和合成模板等领域的应用和研究进展,重点阐述了多肽氨基酸序列以及组装环境对多肽手性自组装行为的影响及关键作用机制,最后,基于目前多肽手性自组装存在的一些问题进行了展望。
2 手性自组装多肽分子的设计
2.1 多肽分子序列的设计
在多肽设计方面,研究者发现通过改变多肽序列组成,可调控多肽分子进行手性组装,制备结构稳定、功能多样的手性纳米材料。例如,在水中组装时,Ac-IIIIKK-CONH2多肽分子可形成螺旋形貌的纤维,Ac-KIIIIK-CONH2则组装为平带结构,而Ac-IIKKII-CONH2分子由于缺少了明显的β-折叠氢键,并无有序的纳米结构形成[37]。此外,Stupp等[38]设计了四种不同序列的两亲肽分子,并探究它们的自组装特性。研究表明,带有VVEE和VEVE的两亲肽组装体并无手性结构,组装后分别产生直纳米纤维和纳米带结构。而带有EVEV的多肽分子可自组装形成扭曲的纳米螺旋带,带有EEVV的分子组装形成缠绕卷曲的螺旋纤维,说明组装体螺旋形貌的产生与多肽序列排布密不可分(图1a)。与此同时,变换多肽分子序列,还可影响组装体纤维长度,具有V3G3I3A3K3 和K3A3I3G3V3两种序列的分子组装后形成微米级较长的纤维,而具有G3A3V3I3K3和K3I3V3A3G3序列的两个多肽分子组装得到的纤维比较短,只有100 nm左右[39]。Nilsson等[40,41]先后合成了一系列不同序列的八肽分子,并探究了其组装形貌特性。研究发现,仅有Ac-(FKFE)2-NH2和Ac-(FKFK)2-NH2两种序列可自组装形成螺旋纤维结构,Ac-(FK)2(FE)2-NH2、Ac-KEFFFFKE-NH2、Ac-(KFFE)2-NH2、Ac-FFKEKEFF-NH2、Ac-(VKVK)2-NH2、Ac-(IKIK)2-NH2 和Ac-(ChaKChaK)2-NH2等多种序列均未形成手性组装体结构。Qi等[42]通过改变短肽组成序列,设计了一系列具有不同L-氨基酸序列的自组装三肽。结果显示,Fmoc-FWX(X=H,R,S,E,D)倾向组装形成右手螺旋结构,Fmoc-FFX(X=H,R,S,E,D)则对应形成左手螺旋结构,证实了三肽分子中间氨基酸的侧链相互作用可调控组装体左右手方向(图1b)。此外,通过改变末端氨基酸,还可以调整自组装纳米螺旋的直径。
2.2 多肽单体组成氨基酸残基构型
而圆二色结果则表明该系列组装体的CD信号由疏水端异亮氨酸的手性构型所控制。Fu等[47]合成了两对对映体两肽衍生物,C18H35O-LALA和C18H35O-DADA,C18H35O-DALA 和C18H35O-LADA。研究发现两对分子组装体手性方向由C端丙氨酸的手性控制,C18H35O-LALA和C18H35O-DALA可组装成左手螺旋纳米纤维,而C18H35O-DADA和C18H35O-LADA则形成右手螺旋结构。
此外,多肽组装形成的纤维结构还受到序列中氨基酸残基构型的影响。研究表明,LELALK16和DEDADK16分子自组装可形成稳定的纤维结构,而改变单体氨基酸的构型之后,LEDALK16 和 DELADK16分子不能再形成有序的组装体结构[48]。Garcia等[49]探究了单体氨基酸构型组成对一系列疏水性三肽分子组装过程的影响。研究表明,构型组成不同的L-D-L-型三肽分子在水中可组装形成水凝胶,而构型组成相同的L-L-L-型三肽分子则无法形成水凝胶,进一步证实单体氨基酸构型对短肽分子组装过程有重要影响。Marchesan等[50]证明将DFFV和DVFF两个三肽分子的N端氨基酸由L型变为D型,可使本来没有有序组装体结构的三肽分子形成不同的组装体结构,DFFV可自组装形成螺旋纤维,DVFF则组装成平带结构,进一步说明了单体氨基酸手性对诱导多肽手性组装起重要作用。与此同时,研究者不仅证实了大多情况下L型-多肽倾向形成左手螺旋结构,D型-多肽倾向形成右手螺旋结构,还研究了相同序列两种构型多肽的共组装行为。单纯构型的分子组装体,均可形成对映手性的螺旋结构,而将等量L型和D型多肽混合共组装则无法形成有序的手性纳米结构(图4a)或者形成非手性的纳米带(图4b)[51,52]。
图4 多肽对映异构体单独组装及共组装示意图[51,52].(a)含有L-或D-氨基酸的三段型肽形成不同结构的自组装体;(b)对映体Ac-(FKFE)2-NH2肽共组装形成具有β-折叠结构的纳米带(1)或自组装形成对映手性的纳米螺旋(2)Fig. 4 Schematic illustration showing the self-assembly process of enantiomer polypeptides[51,52].(a) Atomic force microscopic images showing the triblock-type peptides composed of L- or D-amino acid self-assemble into different nanostructures;(b) Schematic and TEM images showing the enantiomeric Ac-(FKFE)2-NH2 peptides assemble into β-sheet nanoribbons(1) or self-sorted enantiomeric nanohelices(2) |
3 组装环境对多肽手性自组装行为的影响
除了构成多肽分子的氨基酸序列及其构型,组装过程中的外界环境同样会对多肽手性自组装行为产生重要影响。研究者通过调控多肽分子的组装环境,如:溶液pH、溶剂、温度、引入添加剂等,可诱导并调控肽类分子手性自组装,获得结构精细可控的手性纳米材料。
3.1 组装pH值
为了诱导肽类分子自组装形成手性纳米材料,在设计时通常在肽类分子的侧链和末端引入对pH敏感的官能团,以保证在组装过程中可电离出两性离子,为肽分子的手性组装提供静电相互作用力。众多研究表明,改变溶液pH已经成为调控肽类分子手性自组装的重要手段。Kurouski等[53]探究了胰岛素、溶菌酶、朊蛋白多肽片段、甲状腺蛋白多肽片段等淀粉样肽分子的自组装行为,研究者通过调控组装体pH发现,pH=2.0是组装体形成螺旋结构的分界线。朊蛋白和甲状腺蛋白的多肽片段在pH≤2.0时组装成左手螺旋纳米纤维,pH>2.0则组装成平带状纤维。而胰岛素和溶菌酶等蛋白质分子则恰恰相反,在pH>2.0时才可形成左手螺旋纤维(图5)。这一研究表明pH对淀粉样多肽及蛋白质的手性组装具有重要影响。Uesaka等[54]设计合成了两种两亲肽类衍生物S233HisL12和S263His2L12,并探究了它们在不同pH下的组装情况。结果表明,在酸性条件下S233HisL12和S263His2L12倾向组装成左手螺旋纤维,当pH值增大到7.4时,S263His2L12则组装形成了纳米管,说明酸性条件有利于诱导该两亲肽分子形成手性纳米结构(图6)。Duan等[55]同样设计合成了一种两亲肽分子,研究其在pH=2~13范围内的手性自组装行为,在pH<7.0的范围内,该分子能够组装形成螺旋形貌,pH增大到碱性时,则组装形成树枝状结构。
图6 不同pH下S233HisL12和S263His2L12手性组装体的透射电镜图(a~h)和组装示意图(i)[54]。由S263His2L12在10 mM TBS(pH=7.4,a和b)和10 mM CBS(pH=5.0,c和d;pH=3.0,e和f)中组装形成的纳米结构;由S233HisL12在10 mM CBS(pH=3.0,g和h)中组装形成的纳米结构Fig. 6 TEM images(a~h) and schematic illustration(i) of the chiral nanostructures self-assembled by S233HisL12 and S263His2L12 at different pH[54]. The molecular assemblies were prepared from S263His2L12 in 10 mM TBS(pH=7.4, a and b) and 10 mM CBS(pH=5.0, c and d; pH=3.0, e and f); The molecular assemblies were prepared from S233HisL12 in 10 mM CBS(pH=3.0, g and h) |
调控溶液pH值不仅可以诱导肽分子形成螺旋结构,同时还可影响手性方向。pH的变化可改变肽分子组装过程中的末端电荷,进而引起静电相互作用的变化,从而动态改变组装体纤维左右手螺旋的方向。Xie等[56]设计合成了三肽分子Fmoc-FWK,通过调节该分子组装条件pH不同,可定向形成左手和右手螺旋纳米带。研究表明Fmoc-FWK分子在pH=2~6的酸性溶液中,可组装形成均一的左手螺旋结构,而在pH=11.8~12.2的碱性溶液中,则形成右手螺旋纳米带结构(图7)。通过分子动力学模拟,进一步分析得出该分子手性自组装的机理,证实了短肽末端电荷的变化会影响组装体形成的手性方向。该研究进一步说明调节短肽分子组装pH值,可对组装体结构和手性方向进行精确调控。
3.2 溶剂
众所周知,改变溶剂是调控多肽分子自组装重要的手段。众多研究表明,不同溶剂体系下多肽分子可组装成形态各异的组装体材料。近年来,通过溶剂对多肽分子手性组装进行调控多有报道。Jin等[15]设计合成了一种谷氨酸衍生物PPLG,利用多种溶剂调控其组装行为。结果表明PPLG分子在甲苯中组装形成纳米纤维;在DMF中自组装形成了纳米管;而在氯仿和吡啶中则可实现手性组装,形成右手螺旋纳米纤维;在DMSO中则可自组装形成右手螺旋纳米管。与此同时,众多报道已经证实,溶剂对多肽组装体形成的手性方向同样有重要影响,通过变化溶剂种类,可以定向调控组装体形成左右手螺旋形貌。Li等[57]设计了一种丙氨酸二肽衍生物LMWGs,探究了该分子在各种溶剂下的组装体形貌,研究发现LMWGs四种构型的分子在水中和THF中均形成螺旋形貌的组装体,并且在两种体系中手性方向始终相反,证实了溶剂对于组装体手性方向调控的重要作用。Qing等[58]设计合成了8种不同序列构型的二肽分子,研究其在不同溶剂下的凝胶生成情况(图8a)。研究发现溶剂的极性可影响手性凝胶体的形成,若将溶剂从乙醇改为弱极性溶剂氯仿,则宏观有机凝胶无法形成(图8b)。
3.3 添加剂:金属离子与对离子
在多肽自组装研究过程中,研究者经常向体系内加入添加物,诱导多肽分子形成多种形貌的组装体。随着近年来多肽手性组装领域的迅速发展,越来越多的研究者向多肽组装体中添加引物诱导多肽手性自组装。金属离子是诱导多肽手性组装较为有效的添加物之一。Li等[59]利用一价Ag离子和半胱氨酸混合制备组装体材料,研究表明一价Ag离子可诱导半胱氨酸形成手性螺旋纳米带。有趣的是,在Ag离子的作用下,L-半胱氨酸会形成右手螺旋结构;而D-半胱氨酸则形成了左手螺旋纳米带。金属离子的引入使得从氨基酸分子手性向组装体超分子手性的转移过程中发生了翻转。Wang等[60]设计合成了三种两亲性谷氨酸衍生物,探究了Fe3+、Co2+、Cu2+、Zn2+、Eu3+、Tb3+等多种金属离子诱导多肽衍生物形成水凝胶的过程。除Zn2+配位的组装体未见螺旋形貌外,其余金属离子均可诱导多肽手性组装,形成螺旋结构,且均为左手螺旋纳米纤维(图9a)。该研究表明金属离子对两亲性肽分子手性组装具有重要影响。Wang等[61]设计合成了两种凝胶分子LPF和LPPG。通过不同金属离子的诱导,可有效地控制组装体的手性方向,与此同时金属离子还可影响组装体纤维的扭曲度及直径(图9b)。Dong等[62]则证实了Zn2+可诱导多肽片段Aβ(13-21)K16 A组装成手性螺旋纳米纤维和螺旋纳米带,进一步说明金属离子可诱导淀粉样多肽的手性自组装。以上研究表明,金属离子对于诱导肽类分子组装形成手性结构有着至关重要的影响。
图9 (a)谷氨酸衍生物4BLGA与不同金属离子形成凝胶宏观及微观形貌图[60];(b)由不同金属离子的L型对映体单体(LPF和LPPG)组装而成的纳米结构[61]Fig. 9 (a) Photo images of the 4BLGA gels with different metal ions and the SEM images of helical nanofibers formed by 4BLGA with different metal ions[60];(b) Nanostructures assembled from L-type enantiomeric monomers(LPF and LPPG) with different metal ions[61] |
除了金属离子外,研究者还发现了多种非手性引物可诱导多肽分子组装成手性纳米结构。Liu等[63]设计了以苯丙氨酸对映体为结构单元的肽类衍生物,通过加入两种吡啶衍生物BPy1和BPy2,可诱导多肽衍生物分别组装形成螺旋纳米纤维和螺旋纳米带。与此同时,对于L-苯丙氨酸衍生物来说,BPy1诱导其生成左手螺旋纳米纤维,而BPy2则诱导组装体形成了右手螺旋纳米带,实现了超分子尺度的手性翻转。此外,BPy2同样可使D-苯丙氨酸衍生物组装成左手螺旋带。Qi等[64]以二茂铁-苯丙氨酸二肽(Fc-FF)为组装单元,在几种对离子的诱导组装下,获得了七种不同螺距,不同手性方向的纳米螺旋精细结构,证实了引物可对短肽组装体的螺距、手性方向等结构参数进行精确调控(图10)。
3.4 光诱导多肽自组装
由于具有可逆、迅速且无须引入其他物质,光诱导多肽自组装近年来引起了研究人员的广泛关注。通过引入各种光响应基团作为光控单元,可以调控自组装体的形貌结构,并实现不同的功能。Chu等[65]在Fmoc-RGDS四肽中引入光响应基团芳基吡唑(AAP),通过将Fmoc-RGDS、Fmoc-RGDS-AAP和环糊精囊泡(CDV)进行组合,开发出光响应的超分子水凝胶。由于APP与CDV的主客体相互作用,紫外光照射后,反式AAP异构化为顺式AAP,导致主客体相互作用丧失,自支撑水凝胶消失,继续放置一天,保持在黑暗中的样品仍为柔软的凝胶,而暴露在可见光下的样品则恢复为自支撑水凝胶。Zhao等[66]设计合成了一种偶氮苯(Azo)修饰的GFGH多肽衍生物。偶氮苯基团的加入使得多肽具有了光响应性能。在可见光下,Azo-GFGH能够组装成纳米纤维,对p-硝基苯酚乙酸酯具有较高的催化活性,而当暴露在紫外光下12 h后,纳米纤维几乎消失,进而形成一些无定形聚集体,催化活性也随之降低(图11a)。Ma等[67]研究发现阳离子苯丙氨酸二肽(CDP, H-Phe-Phe-NH2·HCl)与磺基偶氮苯EPABS在可见光下能够共组装形成由细长纳米棒和纳米螺旋带组成的支状结构,而在紫外光照射下,EPABS的光异构化导致共组装结构的瓦解,形成类似囊泡的结构(图11b)。
图11 (a)光响应Azo-GFGH分子结构式和肽基水解酶模拟物的催化性能[66];(b)阳离子苯丙氨酸二肽与偶氮苯衍生物超分子组装体的光响应特性示意图[67];(c) 酪氨酸-酪氨酸紫外光交联制备具有荧光特性的中空纳米囊和自支撑薄膜[68]Fig. 11 (a) Molecular structures of the designed Azo-GFGH and the photo-switchable assembly and the catalytic properties of the peptide-based hydrolase mimic[66];(b) Description of Photo-response Characteristics of Supramolecular Assembly of Cationic Phenylalanine Dipeptide and Azobenzene Derivative[67];(c) Synthesis of fluorescent hollow nanocapsule and free-standing thin lamella film by tyrosine-tyrosine UV crosslinking[68] |
除了引入光响应基团,利用酪氨酸侧链的光交联特性,同样可以构建具有特殊功能的光响应手性自组装体系。Min等[68]设计合成了一种具有YYAYY序列的短肽,通过二酪氨酸交联对多肽组装体进行光聚合。在紫外光照射下,YYAYY多肽在pH=10的缓冲溶液中共价自组装,形成中空的纳米囊。而将多肽溶解在含有0.1 M NaOH的甲醇溶液中,则会形成片层结构(图11c)。此外,Min等[69]利用富含酪氨酸的短肽YYAYY,在可见光照射以及钌催化剂的作用下,通过光交联形成了具有蓝色荧光的多肽纳米凝胶。Ding等[70]报道了一种新的光诱导化学交联的方法,以提升超分子水凝胶的机械稳定性。他们设计合成了一种Fmoc-FFGGGY多肽,该分子能够在PBS缓冲液中形成透明凝胶,通过在水凝胶中加入钌催化剂,用白光照射2 min以引发光交联,形成了具有更多分枝的纤维网络。由于通过二酪氨酸键形成了浓密纠缠的纤维网络,光交联后的水凝胶具有更好的机械稳定性。Huang等[71]通过自组装包含L-赖氨酸(Lys)和L-酪氨酸(Tyr)的随机共聚肽,在紫外光的照射下,酪氨酸残基发生光交联,形成了基于二酪氨酸的纳米颗粒。
3.5 其他因素
除上述提到的调控手段外,研究者还发现温度、组装时间等外部条件同样对多肽手性自组装过程有重要影响。温度对多肽自组装有着重要作用,组装过程中温度的升高会引起组装体系分子动力学参数的变化,而过高的温度也会破坏组装体氢键,影响组装体系稳定性。Hamley等[72]利用加热冷却的手段可使得两亲多肽分子C16-KKFFVLK组装体实现由纳米管到螺旋纳米带的转换,可见温度能够对多肽手性自组装过程产生重要影响。与此同时,有研究表明,温度变化还会对肽自组装螺旋纤维的直径、螺距等结构参数造成影响[56]。此外,多肽组装时间长短,对于手性结构的生成同样具有一定影响。Stupp等[73]设计了一种苯丙氨酸基两亲分子,探究了多肽分子在不同时间形成的组装体形貌。研究发现,组装体在10 min后可形成扭曲的纤维,在两周之后开始转变成扭曲的螺旋带形貌,在四周之后完全转变成螺旋纳米带(图12a)。Ziserman等[74]同样设计探究了肽类衍生物分子C12-β12组装体随时间的形貌变化情况。组装体从直纤维,陆续演变成扭曲纳米纤维带, 卷曲纳米纤维带,最终形成了纳米管(图12b)。这些结果表明,多肽手性自组装过程是一个动力学控制的过程,组装体结构会随着时间以及温度进行动态的改变。
图12 (a)一种两亲肽分子随时间变化形成手性组装体形貌的透射电镜图及示意图[73];(b)C12-β12手性自组装形貌随时间变化示意图[74]Fig. 12 (a) Cryo-TEM images and schematic illustration of the self-assembled helical assemblies of the peptide amphiphile at different time[73];(b) Cryo-TEM images and schematic illustration of pathway to nanotubes by chiral C12-β12 self-assembly[74] |
4 肽类手性自组装材料应用
多肽手性自组装材料具有结构稳定、生物相容性、刺激响应性等特性,在手性催化、手性药物识别、手性模板合成等领域具有良好的应用前景。
4.1 手性催化
多肽自组装材料,具有模拟天然酶的催化活性,广泛应用于仿酶催化领域。与此同时,近年来越来越多的研究者将多肽手性组装材料应用于不对称催化领域,取得了长足的进步。多肽手性组装体作为催化剂应用于不对称催化反应大致分为两种主要形式,一是多肽分子本身含有具有催化活性的氨基酸单体,组装体本身作为催化剂主体,具有一定催化活性。二是多肽作为催化剂载体,为催化中心分子提供手性载体环境。Liu等[75]设计了一种两亲性脯氨酸衍生物,可在高压CO2作用下在水中组装形成囊泡,高效催化不对称Aldol反应,组装体囊泡的大小和催化的活性均可通过CO2压力来控制,最高可获得99%的收率和93%的ee 值(图13a)。Lee等[76]利用脯氨酸-赖氨酸二肽衍生物在水中自组装形成手性纳米管,1%的组装体浓度即可在纯水介质中高效地催化不对称Aldol 反应,其适应底物范围广泛,可实现较高的收率和对映选择性(图13b)。
目前已有研究中,利用肽组装手性材料,催化不对称反应大多集中于不对称Aldol 反应体系。如何拓宽手性肽组装材料在不对称催化的应用体系,是肽组装材料应用的一个新兴领域,肽组装材料的纳米结构比表面积较大,可充分与反应物接触,同时,纳米纤维本身的空间立体结构,可以为不对称反应提供手性环境,充当催化剂的手性配体。中科院刘鸣华等长期从事多肽手性组装应用研究,将肽分子与金属离子配位,用于不对称催化反应,为肽组装材料的手性催化应用提出了一个新的研究方向。他们[77]设计合成了谷氨酸基的两亲分子,在水中自组装形成纳米管,加入Cu2+离子之后可用于催化不对称的Diels-Alder反应(图14a)。在此基础上,他们[35]通过调节金属离子的用量,发现0.1%的Cu2+与谷氨酸衍生物分子配位可自组装形成螺旋纳米管,用以催化氮杂查尔酮与环戊二烯的Diels-Alder反应,可获得91%的ee值。此外1.2%的Bi3+与该分子配位形成的组装体可催化不对称Mukaiyama Aldol反应,获得高达97%的ee值(图14b)。该研究表明,组装体的手性结构对提高反应的对映选择性有很大帮助。
图14 (a)Cu2+-肽共组装体催化剂催化不对称Diels-Alder反应和(b)Bi3+-肽共组装体催化剂催化不对称aldol反应示意图[35,77]Fig. 14 The schematic illustration of the assembly mechanism of(a) Cu(Ⅱ)-HN catalysis and its asymmetric catalysis for Diels-Alder reaction and(b) Bi(Ⅲ)-HN catalysis and its asymmetric catalysis for Mukaiyama Aldol reaction[35,77] |
4.2 手性检测
利用多肽手性组装体对手性药物及手性分子进行检测,是多肽手性自组装领域又一重要应用。研究者将多肽手性组装体广泛应用于药物及手性分子的可视性识别。Meng等[78]设计了一种含有丁二炔基团和谷氨酸末端的两亲分子。研究发现该分子自组装可形成凝胶,水凝胶通过机械震荡可转换为分散液。两者经过紫外光照聚合,凝胶先变蓝,然后变成紫红色;分散液直接变红。凝胶微观形貌为纳米螺旋结构,可对特定氨基酸和核酸碱基起识别作用,加入谷氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸、天冬氨酸等带电氨基酸,可发生颜色反应,还可以与胞嘧啶形成颜色反应(图15a)。Li等[79]合成了一种谷氨酸衍生物,在水中自组装形成囊泡,在甲醇和水混合液中组装成螺旋形貌的凝胶。在紫外光照下,两体系发生光聚反应均可变成蓝色,由于丁二炔基骨架的不同堆积方式,形成相反的圆二色信号。两组装体系均可对叔丁基-亚磺酰胺进行可视性识别,S型药品变成红色,R型保持蓝色(图15b)。
4.3 手性模板
手性多肽组装体不仅可以作为模板合成二氧化硅材料,也可诱导众多材料的仿生矿化。Jiang等[85]利用不同对映体的天冬氨酸和谷氨酸调控碳酸钙材料的手性。研究表明,L型对映体可诱导碳酸钙形成右手螺旋结构,而D型对映体则可促使左手螺旋碳酸钙材料的形成。Lee等[86]设计了一种合成手性金纳米颗粒的方法,利用氨基酸和多肽来控制纳米颗粒的手性结构和光学活性。利用L-谷胱甘肽可诱导合成右手性的金纳米晶体,而利用D-谷胱甘肽则可合成得到左手性的金纳米晶体(图18a)。Rosi等[87,88,89]利用多肽衍生物螺旋组装体作为模板,在组装体表面生长Au纳米颗粒,使得Au纳米颗粒按照类似DNA双螺旋结构排列(图18b)。
4.4 手性光学
与普通光相比,作为新一代光源的圆偏振光(CPL)具有光学信息广泛和无角度依赖性等优势,因而引起了科研工作者的广泛关注。最近,研究者们发现,将多肽自组装形成的有序纳米结构作为纳米模版,与非手性的荧光材料手性诱导结合,可用于构建手性发光材料。Deng等[90]研究发现非手性的嘌呤核苷能诱导Fmoc-Glu自组装形成纳米螺旋,而且以该螺旋纳米结构为基底,可将手性转移到手性荧光探针硫黄T(THT)上。在手性转移过程中,THT不仅具有超分子手性结构,还能够发射较强的CPL(图19a)。Goto等[91]发现,可通过手性诱导方法,使手性纳米模板与非手性荧光染料产生具有可控波长的强圆偏振光。先使谷氨酸衍生物自组装形成有序纤维聚集体,再在组装体的稀溶液中加入少量非手性的荧光染料,利用染料与多肽手性纳米模板之间的静电相互作用,构建具有强烈圆偏振光信号的手性发光材料(图19b)。
图19 (a)Fmoc-Glu与嘌呤核苷自组装成螺旋结构及手性从Fmoc-Glu到ThT的手性转移示意图[90]; (b)谷氨酸衍生物作为纳米模板手性诱导荧光染料产生CPL示意图[91]Fig. 19 (a) Self-assembly of Fmoc-Glu and purine nucleosides into helical structures and chiral transfer from Fmoc-Glu to ThT[90];(b) Chiral Induction of Fluorescent Dyes by Glutamic Acid Derivatives as Nanotemplates[91] |
众多研究表明,自组装过程对圆偏振光信号有重要影响。Niu等[92]发现自组装过程中的离子配位和π-π堆积,可以作为圆偏振发光的可控开关。研究发现,L-PyHis分子能够自组装形成具有右手性和右旋圆偏振光的纳米纤维,加入Zn2+配位后,纳米纤维转变成具有左手性和左旋圆偏振光的纳米球,且这一过程是可逆的,去除Zn2+后,组装体手性和圆偏振光信号再次发生反转。Huo等[93]提出了一种基于非手性试剂包裹的量子点(QD)与手性凝胶共组装的方法,用于制备具有CPL活性的量子点。该方法通过简单混合手性胶凝剂和3-巯基丙酸修饰的量子点,获得全色光谱可调的CPL活性量子点。此外通过调整凝胶中不同量子点的混合比,首次制造出能够发射圆偏振白光的量子点。
5 结论与展望
过去的二十多年里,随着科学研究的推进,多肽自组装领域得到了快速的发展。对于多肽分子自组装、特别是手性自组装过程的研究,有助于我们从分子和超分子角度更加深入地了解生命体特征,还可以为学者们提供更多结构稳定、功能多样的组装体材料。在不同组装条件下,多肽分子自组装可形成多种手性螺旋结构,在众多领域具有重要的应用价值。然而目前针对肽类分子手性组装体系,还存在一些问题:(1)肽类超分子手性自组装体形貌的精确调控。目前对于肽类分子手性自组装的研究主要集中于诱导肽类分子形成手性螺旋结构,而对于定向调控螺旋的形成及手性方向的控制,还存在很大难点。如何通过多肽设计及组装条件控制,制备单一可控的手性多肽自组装材料是肽类分子手性自组装的重要研究方向。(2)肽类手性纳米结构的多级组装与定向排列。通过调控多肽手性纳米结构进一步多级组装形成有序的阵列、手性液晶等,可望合成具有独特的光学、催化活性的超分子仿生材料及其器件,然而目前却罕有这方面的报道。(3)肽类分子手性自组装材料的应用拓展。肽类分子手性自组装可形成多种螺旋形貌的纳米材料。这些手性纳米材料目前应用主要集中于手性催化、手性检测、合成模板、手性光学等领域,但是其仍存在应用体系简单、稳定性差、使用成本高等缺点,实际应用受到很大限制。因此,针对以上问题,通过开展多学科的交叉研究,在设计新型自组装多肽分子及其组装体系的基础上,引入多种化学、物理、工程领域的研究思想以及调控手段,如3D打印、微流控等技术,有望合成多级有序、结构动态可控、性能稳定的肽基超分子手性功能材料,进一步实现其应用价值。