English

• 1.   引言

  手性是自然界中普遍存在的一种现象.生物体系中存在不同级次的手性结构, 例如α-螺旋的蛋白质结构、双螺旋DNA结构等.这些手性结构大多是通过L-氨基酸或者D-核糖等手性分子自组装获得的^[1].受自然的启发, 科学家们通过多肽、氨基酸、糖类及其衍生物的自组装制备了各种手性结构或者杂化材料.这些研究为理解和模仿生物体自组装以及超分子手性提供了很好的模型^[2~8].

  近年来, 肽分子自组装引起了人们的广泛关注和研究.与其它组装基元相比, 肽分子具有许多独特优势, 例如特定的二级结构、生物相容性、化学多样性、生物分子识别性和易于合成等.此外, 肽分子可以通过氢键、π-π堆积、疏水作用、静电相互作用等进行自组装^[9~13].这些特性, 加上肽分子天然的手性特征, 使得肽分子成为构建手性组装体或材料极具吸引力的构建基元.鉴于短肽分子的长度有助于将来大规模生产和结构-性质关系的建立, 短肽分子的自组装取得了突飞猛进的发展, 并且已经被广泛应用在抗肿瘤治疗、光催化、仿生光合成等领域^{[9, 14, 15]}.二苯丙氨酸(diphenylalanine, FF)是最简单的芳香二肽分子, 也是阿兹海默症致病的β-淀粉样蛋白多肽的核心识别序列.通常, FF分子可以自组装成球形囊泡、纳米管、纳米线、微米管和微米棒等纳米结构.更重要的是, 可以通过调控组装条件(酸碱度、溶剂、超声、引入小分子等)实现对FF基微纳米结构形貌的有效调控和可逆转换^[16~20].然而, 关于FF及其衍生物的宏观手性结构鲜有报道.

  在本工作中, 以阳离子二苯丙氨酸(Cationic Diphenylalanine Peptide, CDP)为组装基元, 在乙醇溶液中获得了CDP纳米纤维, 经过2~3周的熟化后, 获得了类似麻绳的螺旋纤维结构(图 1), 这在之前的二苯丙氨酸及其衍生物的自组装体系中鲜有报道.通过光谱系统研究了CDP在乙醇溶液中的组装随时间的变化, 并提出了CDP螺旋纤维可能的组装机理.

  图 1

  

  图 1.  阳离子二苯丙氨酸在乙醇中的组装示意图

  Figure 1.  Schematic illustration of the self-assembly of CDP in ethanol

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  2.   结果与讨论

  2.1   CDP纳米纤维和螺旋纤维的制备

  通过控制熟化时间, 研究了阳离子二苯丙氨酸(CDP)在无水乙醇中的自组装行为, 分别获得了CDP纳米纤维和螺旋纤维.具体实验步骤如下:将1 mg CDP粉末完全溶解于50 μL六氟异丙醇中, 然后向其中加入100 μL无水乙醇, 混合摇匀, 静置不同时间后, 取样品溶液滴在硅片基底上, 即可获得不同形貌的CDP组装体.如图 2a, 2b的扫描电镜照片显示, 静置1天后, 可获得表面光滑的CDP纳米纤维. CDP纳米纤维的长度不等, 宽度约为300 nm.混合溶液静置2周后, 取溶液样品滴于硅片基底, 如图 2c, 2d所示, CDP挥发组装成了有一定程度扭曲的纤维, 并且CDP纤维的表面不再光滑.更有趣的是, 混合溶液静置3周后, 取样品溶液滴于硅片基底, 可以看到多根CDP纤维缠绕在一起(图 2e, 2f), 形成了罕见的类似麻绳的螺旋纤维结构(CDP-Rope).使用原子力显微镜对CDP螺旋纤维结构进行表征, 图 2g显示了典型的螺旋结构, 螺纹间距约为100 nm.这种规律的螺旋纤维结构在二苯丙氨酸及其衍生物的自组装体系中很少见到, 相关的可控组装体系也鲜有报道.

  图 2

  

  图 2.  (a~f)不同的熟化时间下, CDP在乙醇中的组装体的扫描电子显微图像: (a, b) 1天, (c, d) 2周, (e, f) 3周. (g) CDP螺旋纤维结构的原子力显微图片

  Figure 2.  Scanning electron microscope (SEM) images of CDP assemblies in ethanol after different aging time: (a, b) 1 day, (c, d) 2 weeks, (e, f) 3 weeks. (g) Atomic force microscope (AFM) image of twisted CDP fibril

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  2.2   FTIR和CD光谱表征

  为了深入理解CDP纳米纤维和螺旋纤维的组装机制, 我们获得了不同熟化时间后CDP组装体的FTIR光谱和CD光谱. 图 3分别显示了CDP粉末以及不同熟化时间下得到的CDP组装体粉末的FTIR光谱.这些红外光谱显示了一些共同的特征, 即均在3441、1683和1525 cm^-1附近观察到了明显的振动峰, 这些振动峰分别归因于酰胺基团的N—H伸缩振动、酰胺I带和酰胺II带的振动^[21].在CDP粉末的红外谱图中, 1683 cm^-1的吸收峰对应于酰胺I区的N—H伸缩振动^[22], 表明二肽分子间存在反平行的β-折叠二级结构. 1664 cm^-1处的吸收峰对应于“无氢键作用”的酰胺基团, 也称之为自由C＝O伸缩振动^{[23, 24]}, 在CDP上显示的是其尾部氨基化的羰基的吸收峰.在1604 cm^-1处的特征峰证明二肽分子中存在平行的β-折叠二级结构^[25].当CDP自组装形成纳米纤维后, 1683 cm^-1处的吸收峰红移到1694 cm^-1, 这说明组装体与溶剂分子之间的氢键作用增强^[26].此外, 形成纳米纤维后, 酰胺I区的N—H伸缩吸收带由1604 cm^-1移动到1607 cm^-1也说明了组装后N—H基团与溶剂分子产生了氢键作用.当CDP进一步组装形成扭曲的纳米纤维和绳状的螺旋纤维后, 1683 cm^-1处的吸收峰变宽, 而1609 cm^-1处的吸收峰强度增加, 这说明在扭曲的纳米纤维和螺旋纤维结构中, CDP主要采取平行的β-折叠二级结构, 并且两种结构中N—H基团与溶剂分子同样存在氢键作用.

  图 3

  

  图 3.  (a) CDP粉末以及不同熟化时间获得的CDP组装体的FTIR光谱, (b)是(a)图中在1800~1200 cm^-1范围内的放大图

  Figure 3.  (a) Fourier transform infrared (FTIR) spectra of CDP powder and CDP assemblies, (b) is the magnification of (a) in the range of 1800~1200 cm^-1

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  图 4显示的分别是CDP纳米纤维、扭曲的CDP纤维和螺旋纤维的CD光谱.可以看到, CDP纳米纤维、扭曲的CDP纤维和螺旋纤维结构在233 nm (n-π*跃迁)附近均出现了负的CD信号峰, 这是典型的β-折叠二级结构的吸收峰^{[27, 28]}, 表明组装体中的CDP分子之间采取的是β-折叠的方式进行排列.值得注意的是, 这些CDP组装体的CD峰相比典型的β-折叠二级结构, 出现了明显的红移, 说明在组装过程中CDP分子的芳香环残基间形成了有效的π-π堆积.此外, 与CDP纳米纤维和扭曲的CDP纤维相比, CDP螺旋纤维结构的CD信号峰更明显, 这种现象主要归因于组装体β-折叠程度和扭曲程度逐渐加大的结果^{[5, 16, 29]}, 这与扫描电镜的结果以及FTIR光谱数据相吻合.

  图 4

  

  图 4.  不同熟化时间获得的CDP组装体的CD光谱: CDP纳米纤维(1天)、扭曲的CDP纤维(2周)、螺旋纤维(3周)

  Figure 4.  CD spectra of CDP assemblies in ethanol after different aging time: nanofibers (1 day), twisted nanofibers (2 weeks) and helical fibers (3 weeks)

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  2.3   CDP在乙醇中的自组装机理

  根据上面的光谱数据以及分析, 对CDP在乙醇中的自组装及其结构的转变提出了一个可能的机理.通常, 生物分子自组装过程中的调控作用力主要有三种:疏水作用、氢键和静电作用^[30].肽分子在水溶液中的自组装行为首先通过自聚集驱动, 然后在肽分子间形成氢键作用, 同时分子间的静电相互作用以及可能的π-π堆积作用使其自组装体趋于有序.这种作用平衡的结果, 形成了不同聚集体的形貌和结构.对于疏水性的CDP分子, CDP分子中的羧基和酰胺基倾向于形成有序的分子间氢键, 因此, CDP分子通过分子间氢键和芳香环残基间的π-π堆积作用形成层状结构.氢键使得层状结构在一维方向上尽可能的延展, 形成纳米纤维^{[5, 31]}.这些纳米纤维随后作为多级次自组装的基元, 随着熟化时间增加, 相邻肽分子中带正电荷部分之间的强静电排斥会破坏由相邻酰胺基团形成的氢键, 进而变成扭曲的β-折叠二级结构, 从而导致自组装体中形成轻微扭曲和高度扭曲结构的竞争, 而最终形成扭曲的绳状螺旋纤维.也就是说, CDP螺旋纤维结构的形成是π-π堆积、氢键和静电作用等分子间相互作用再平衡的结果.因此, 熟化处理诱导了这一再平衡的过程, 使得CDP纳米纤维最终转变为螺旋纤维.

  3.   结论

  通过调控阳离子二苯丙氨酸CDP在乙醇溶液中的组装时间, 分别获得了平滑的纳米纤维、扭曲的纤维和螺旋纤维结构.纳米纤维作为基本的构筑基元, 可以随着熟化时间增加, 通过扭曲的方式形成螺旋纤维结构.光谱分析表明螺旋纤维结构的形成是π-π堆积、氢键和静电作用等分子间相互作用再平衡的结果.本工作通过简单的控制熟化时间实现了对超分子组装体结构的控制, 为超分子手性组装体的可控制备提供了一种简单可行的方法.

  
  
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  图 1  阳离子二苯丙氨酸在乙醇中的组装示意图

  Figure 1  Schematic illustration of the self-assembly of CDP in ethanol

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  图 2  (a~f)不同的熟化时间下, CDP在乙醇中的组装体的扫描电子显微图像: (a, b) 1天, (c, d) 2周, (e, f) 3周. (g) CDP螺旋纤维结构的原子力显微图片

  Figure 2  Scanning electron microscope (SEM) images of CDP assemblies in ethanol after different aging time: (a, b) 1 day, (c, d) 2 weeks, (e, f) 3 weeks. (g) Atomic force microscope (AFM) image of twisted CDP fibril

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  图 3  (a) CDP粉末以及不同熟化时间获得的CDP组装体的FTIR光谱, (b)是(a)图中在1800~1200 cm^-1范围内的放大图

  Figure 3  (a) Fourier transform infrared (FTIR) spectra of CDP powder and CDP assemblies, (b) is the magnification of (a) in the range of 1800~1200 cm^-1

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  图 4  不同熟化时间获得的CDP组装体的CD光谱: CDP纳米纤维(1天)、扭曲的CDP纤维(2周)、螺旋纤维(3周)

  Figure 4  CD spectra of CDP assemblies in ethanol after different aging time: nanofibers (1 day), twisted nanofibers (2 weeks) and helical fibers (3 weeks)

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