Nature Chem(亮点)：肽构建多孔有机框架材料

纳米技术

2022-08-18

在过去的三十年，MOF、COF等多孔晶体材料得到发展，成为化学和材料领域非常重要的研究热点，这种多孔结构和较高的比表面积具有一系列应用场景，包括气体吸附/分离、传感、催化。通常多孔晶体材料的结构中比较常见的是芳烃结构，并且形成的高晶化产物结构具有较少的自由度，这些结构容易在内部形成刚性的空腔，这并不像具有自适应能力的孔结构能够产生优异的客体分子-骨架相互作用。此外，具有高浓度刚性芳烃组分的材料通常表现疏水性特点，因此显著的影响材料的表面的生物适配性以及与材料之间的表面兼容，因此严重的影响晶体多孔材料的实际应用。

来自于自然的灵感，通过肽的衍生物作为链接分子构筑多孔材料可能成为解决以上问题与挑战的一种具有前景的方法，这是因为具有生物活性的连接分子表现为柔性结构，而且侧链官能团和有序排列的氨基酸能够比较方便的修饰和引入各式各样的官能团，这种多变的结构为肽的自组装结构提供优异的适应性、亲水性、兼容性、加工性。比如，通过肽和金属离子组装的方法形成纳米尺寸空腔/孔结构形成的金属-肽骨架结构材料通常能够产生具有主客体识别功能的柔性构象，但是含肽MOF的设计与合成通常局限于使用长度较短的肽（二肽/三肽），因此能够形成的孔结构种类非常有限，因此阻碍了含肽MOF材料的进一步发展。

近日，伊利诺伊大学Andy I. Nguyen等在J. Am. Chem. Soc.上报道了通过不含金属的合成的长肽分子（含有九个氨基酸）以非共价方式组装形成一类晶化度较好的含肽MOF材料。作者通过单肽的结构设计，其中含有2-氨基异丁酸结构，通过这种结构显著改善构象的刚性，导致容易形成二级α-螺旋结构。这种肽组装体系中能够建立极性和非进行的平衡，显著的促进超分子自组装。

由于该项研究的重要意义，新加坡国立大学赵丹(Dan Zhao)、上海交通大学董金桥进行总结和评述。

本文要点：

（1）

通过螺旋的两端封装刚性的平面二吡啶结构，促进肽能够以π-π方式堆叠的方式形成肽的晶体结构，并且通过圆二色谱和二维NMR光谱表征验证肽组装形成螺旋结构。

（2）

肽螺旋结构组装。通过1:9 H₂O/MeCN溶剂的饱和溶液缓慢冷却方式促进肽的组装，通过X射线单晶衍射表征验证组装形成P2₁空间群，验证通过氢键作用形成α-螺旋和3₁₀螺旋的混合。这种构象能够以交替和交叉的方式生成不含金属的肽骨架结构，形成尺寸为1.5×1.1 nm的矩形纳米通道。

（3）

由于肽组装体形成了类似蛋白的环境，因此促进人们研究其主-客体化学性质。当使用叔丁基苯作为客体分子，发现肽组装体能够构象自适应的方式在纳米通道内与客体分子结合。由于结合叔丁基苯的过程中导致肽组装体的构象发生改变，说明这种肽的框架结构具有自适应性结合客体分子的功能。

因此，这种材料表现了标志性的模拟蛋白质功能，比如客体分子选择性、通过诱导的方式进行组装、能够进行多金属单元结构组装。而且，作者研究发现这种结构能够方便的进行结构优化的方式显著的改善对特定复杂有机分子的亲和性。

参考文献

Dong, J., Zhao, D. Porous and permutable peptide frameworks. Nat. Chem. 14, 852–854 (2022)

DOI: 10.1038/s41557-022-01011-1

https://www.nature.com/articles/s41557-022-01011-1

Sherrie L. Heinz-Kunert, Ashma Pandya, Viet Thuc Dang, Phuong Nguyen Tran, Sabari Ghosh, Dan McElheny, Bernard D. Santarsiero, Zhong Ren, and Andy I. Nguyen*, Assembly of π-Stacking Helical Peptides into a Porous and Multivariable Proteomimetic Framework, J. Am. Chem. Soc. 2022

DOI: 10.1021/jacs.2c02146

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c02146