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光子鼻与分子材料研究团队杨鹏课题组在大分子组装方面取得重要进展

发布者:超级管理员  发布时间:2017-08-31 19:12:59  浏览:

       不同于以离子、原子和分子为构筑单元的经典结晶过程(即先直接形核,到达一定尺寸的晶核后则进一步生长形成晶体),介晶(mesocrystals)是一类由纳米晶以结晶学有序的方式自组装而成的纳米粒子超结构,通常可以显示类单晶的电子衍射环。过去十几年的研究发现,自然界中大部分矿物晶体的结晶形式多是按照非经典的结晶路线进行:分子经过两步形核(先聚集后形核)形成纳米晶,纳米晶进一步组装形成一种具有超结构的类单晶体—介晶。这种以纳米颗粒为基本构筑单元的非经典结晶产物,其结构特点赋予了它既不同于单个纳米颗粒又不同于体相材料的性质,这种分级结构很容易产生并集合突出的力学、光学、电学等性能。因此,介晶已经在无机及杂化功能材料的制备以及高新科技领域产生了重大作用,如利用CaCO3介晶制备出优异力学性能的人造贝壳,利用贝壳状ZnO介晶产生“回音壁式”的光学性质,利用LiFePO4介晶作为超级电容器材料表现出更好的稳定性和更高的比容量等。
       过去十几年的介晶研究主要集中在容易结晶的无机矿化物和各种无机/杂化材料中。虽然一些氨基酸和有机小分子被证明可以形成有机介晶,但是对于大分子而言,其复杂的分子表面性质和构象导致其很难结晶。虽然在生物体内的蛋白质聚集体中发现非典型的蛋白质纳米晶,但是仍然证明不了大分子的介晶存在。结合介晶在生物矿化和功能材料制备领域的重要意义,不难设想发展高分子介晶,不仅可以丰富超分子化学的基本理论,同时可以基于高分子介晶设计合成出具有优异性能的仿生高分子材料。
      针对上述问题,陕师大化学与化工学院光子鼻与分子材料研究团队杨鹏教授课题组另辟蹊径,通过利用高效二硫键还原剂三(2-羧乙基)膦(TCEP)解折叠溶菌酶而得到蛋白质溶胶,成功在此溶胶中得到了蛋白质纳米片晶。这些蛋白质纳米片晶具有特殊的“核-壳”结构:结晶的“核“是由β-sheet聚集体组装形成,而分散在核周围的“壳”是解折叠的分子链。在一定温度条件下,这些蛋白质纳米片晶可以进一步组装形成二维蛋白质介晶,尺寸可以达到微米级。这是首次得到生物大分子的二维介晶,同时研究还发现这种二维蛋白质介晶具有柔性的结晶结构。大分子的晶体介观组装能够为化学家设计合成新材料提供更多可能,同时这种柔性的二维蛋白质介晶具有广泛的潜在用途。
       该工作以题为“Tuning Crystallization Pathways through Mesoscale Assembly of
Biomacromolecular Nanocrystals”的研究论文发表在国际顶级学术期刊《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed 2017, DOI:10.1002/anie.201706843)上,并得到审稿人高度评价(两名审稿人均认为该工作报道了首例大分子介晶)。陕师大化学与化工学院(应用表面与胶体化学教育部重点实验室)为唯一单位。该工作得到了国家自然科学基金委的资助(51673112, 21374057)。这是杨鹏教授课题组在2017年内发表在Angew. Chem. Int. Ed.的第二篇工作,博士陶菲和硕士韩倩同学为该论文共同第一作者。
       杨鹏课题组组建于2012年底,主要致力于通过高效解折叠和组装生物大分子而实现其在表界面化学及材料系统的基础和应用研究。经过几年的努力,已取得了一定的原创性研究成果,已在Chem. Rev. (2013, 113, 5547)、Angew. Chem. Int. Ed. (2017, 56, 9331, Hot paper)、Angew. Chem. Int. Ed (2017, DOI:10.1002/anie.201706843)、Adv. Mater. (2016, 28, 579, VIP paper)、Adv. Mater. (2016, 28, 7414, Frontispiece)等权威学术期刊发表综述和研究论文五十余篇。

Tuning Crystallization Pathways through Mesoscale Assembly of Biomacromolecular Nanocrystals
Fei Tao, Qian Han, Kaiqiang Liu, Peng Yang*
Angew. Chem. Int. Ed 2017, DOI:10.1002/anie.201706843.
Accepted manuscript online: 25 August 2017
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201706843/full
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图1 无机及大分子介晶形成示意图:(a)无机介晶体形成路径示意图;(b)蛋白质纳米晶形成及进一步组装为大分子介晶体路径示意图。

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图2 在pH 6.5,温度18℃条件下,TCEP诱导的溶菌酶分子解折叠并进一步组装形成晶体的聚集体。天然溶菌酶(黑色曲线)和解折叠溶菌酶(红色曲线)的(a)拉曼光谱图和(b)NPM测试曲线图,表明了S-S被还原形成R-SH;(c)对应的天然溶菌酶及解折叠后的溶菌酶的红外光谱图;(d)溶胶中解折叠蛋白质链的组装过程示意图;(e)蛋白质解折叠和组装过程中的ThT, ANS以及刚果红染色图;(f)溶菌酶溶胶中预排列的蛋白质分子链的冷冻刻蚀透射电子显微镜图及相应的傅里叶变换图。

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图3 在pH 6.5,37℃条件下,解折叠的蛋白质分子链组装形成纳米晶。(a)蛋白质纳米晶的透射电子显微镜图以及1 h和8 h的纳米晶粒径分布图;(b-c)1 h时形成的蛋白质纳米晶的高分辨透射电子显微镜图及对应的选区电子衍射图;(d-h)对应的卡通示意图(d), ThT和ANS染色曲线图(e),粉末XRD图(f),小角度X射线散射图(g, h)。

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图 4 蛋白质纳米晶组装形成柔性的蛋白质介晶。(a)根据ThT和ANS染色结果阐述的蛋白质纳米晶在介观尺度上组装形成的柔性并具有多层结构的片状介晶的卡通示意图;(b-d)蛋白质介晶的透射电子显微镜图、高分辨透射电子显微镜图和选区电子衍射图;(e-g)通过纳米晶相互融合形成的片状单晶的透射电子显微镜图、高分辨透射电子显微镜图和选区电子衍射图;(h)显示柔性蛋白质介晶边缘卷曲的透射电子显微镜图及对应的高分辨透射电子显微镜图;(i)表明层间距、β-sheet 和cross β-spine之间的夹角。

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