今天给大家介绍的文章是最近发表在JACS 上的Controlling Amphiphilic Polymer Folding beyond the Primary Structure with Protein-Mimetic Di(Phenylalanine)，文章的通讯作者是北卡罗来纳大学教堂山分校的Abigail S. Knight教授。

尽管组成蛋白质的天然氨基酸单体种类有限，其仍进化出复杂多样且多层次的结构：多个多肽链形成的四级结构、定义整体三维形态的三级结构以及决定局部刚性区域的二级结构。高分子化学中，单体的多样性已经远超过了天然蛋白质。由此出发，立足于天然生物大分子的复杂功能，从而建立非共价作用驱动的复杂结构网络，是扩展下一代材料功能所必需的挑战。

二（苯丙氨酸），一种被鉴定为驱动淀粉样纤维二级结构形成的部分，已经应用于药物递送、水凝胶和金属有机框架材料等多个领域。圆二色光谱和傅里叶变换红外光谱显示，二（苯丙氨酸）之间的氢键和π-π相互作用可以稳定聚集结构。基于上述结论，作者认为可在两亲性共聚物中引入二（苯丙氨酸）基团，生成高阶结构。在此，作者论证了疏水性、π-π相互作用和氢键在诱导形成整体结构和β折叠局部结构中的作用。

图1. 二（苯丙氨酸）丙烯酰胺单体的合成

作者首先设计合成了二（苯丙氨酸）丙烯酰胺单体（FF）。（图1）。随后作者合成了二（苯丙氨酸）部分随机分布在主链结构的两亲性共聚物。二甲基丙烯酰胺(DMA)被选为亲水性单体，因为它缺乏氢键供体，因此不太可能破坏二(苯丙氨酸)部分之间的氢键。两种单体在DMF中进行可逆加成断裂链转移（RAFT），得到具有可控分子量，低分散度且相近单体插入率的聚合物。

图2. 不同FF比例的FF-DMA共聚物DLS表征结果

为了研究FF-DMA的组装，作者合成了一系列共聚物（0-40 wt%FF），对其于中性水溶液中的形态进行了表征。作者采用了三种组装方法：溶解、超声和冷热循环，并使用动态光散射（DLS）进行了表征（图2）。对于含20%或更少FF的共聚物，在所有组装体中都观察到了相同尺寸的单链纳米颗粒(SCNPs)。30和40 wt % FF在溶解共聚物中存在聚集现象;然而，超声和冷热循环均可形成SCNPs。由于水合动力半径较小时，仪器精度有限，很难量化随疏水性增加而预期的坍塌量的增加。

为了计算与共聚物疏水性相关的坍塌百分比，作者借鉴了Sawamoto等人的工作，使用尺寸排斥色谱(SEC)在水和有机溶剂(DMF)中比较了两亲聚合物的致密和膨胀状态。通过在每种溶剂中使用聚乙二醇标准校准，使用缓冲溶液和DMF中峰端分子量的比率作为紧密度的度量。使用这种策略，作者能够观察到预期的线性关系，在40 wt % FF时聚合物会出现超过50%的坍塌。

图3. 不同DMA共聚物中疏水单体含量与坍缩度关系

为了探索导致蛋白质模拟物FF-DMA坍缩的因素，作者设计了一系列类似的两亲性DMA共聚物，其中含有较低氢键倾向的苄基丙烯酰胺（BAA）和甲基L-苯丙氨酸（F）以及非芳香族叔丁基丙烯酰胺（tBA）。这三种芳香单体具有相似的坍塌百分比（图3），因此作者认为这种坍塌主要由疏水性驱动。

作者随后使用圆二色光谱表征了共聚物的局部结构。结果显示（图4），含有FF的共聚物相对含有F的共聚物局部结构更加有序，表明其相互作用更强。作者之后利用硫磺素T (ThT)荧光光谱对聚合物内部结构进一步研究，支持了FF-DMA中形成的β-折叠相互作用。

图4. 不同DMA共聚物的圆二色（CD）光谱图

作者之后合成了丙氨酸-苯丙氨酸单体（AF），并使用同样的表征手段对AF-DMA进行了表征并与FF-DMA进行了对比。最后作者研究了将DMA换为含有氢键给体结构的单体后对于共聚物结构的影响。

综上所述，作者借鉴了生物体中常见的非共价相互作用，设计了基于二（苯丙氨酸）之间π-π相互作用和氢键相互作用的两亲性共聚物，并通过其他单体对比，使用多手段表征了聚合物中一级结构以外的折叠二级结构。其聚合物结构设计为建立非共价作用驱动的复杂结构网络提供了思路。

作者：WLT    审校：ZZC

DOI: 10.1021/jacs.1c05659

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c05659