搜索熱:電子皮膚 ??-
掃一掃 加微信
弗罗西诺内美院学费 > 科研探索 > 科學研究 > 消息正文
中科院過程所&劍橋大學Angew. Chem. Int. Ed.:液-液相分離介導的超分子聚合物成核-生長新機制
發布:lee_9124   時間:2019/11/16 17:25:56   閱讀:186 
分享到新浪微博 分享到騰訊微博 分享到人人網 分享到 Google Reader 分享到百度搜藏分享到Twitter
【引言】

蛋白質和多肽等通過自組裝形成超分子聚合物的現象普遍存在于自然界中,尤其是生物體系,這引起了生物學家和材料科學家們廣泛的研究興趣。例如,已得到廣泛研究的蛋白質細絲-生物體系中一種常見的超分子聚合物,其能夠控制活細胞的機械性能、運動能力乃至分化過程。然而也有研究證明蛋白質的異常聚集會導致淀粉樣纖維的形成,其與諸如阿爾茨海默癥等神經退行性疾病的發生和發展有關。因此,探究超分子納米纖維形成的分子機制不僅有助于加深對生物體結構與功能的認知,還能促進纖維化相關疾病新型治療策略的開發。目前已經有一些理論和模擬研究表明,超分子納米纖維的形成是一個成核-生長的過程,成核可以通過經典的單步成核或者由亞穩相參與的兩步成核來實現,但是對于超分子成核早期階段的分子機制及其在后續生長過程中作用的研究仍是一大挑戰。這主要是由自組裝過程的高度動態和分級多尺度特性決定的。通常,超分子自組裝的結構演變主要取決于不同組裝體的穩定性及其結構轉變需要跨越的能壘。此外,較弱的非共價相互作用和相對柔性的分子構象也使得自組裝體易于在動態微環境中發生變化,從而形成具有多分散性和多態性的組裝中間體。因此,選取合適的組裝基元,通過對其組裝動力學的有效調控有望揭示復雜體系中自組裝納米纖維形成的分子機制。

【成果簡介】

近日,中國科學院過程工程研究所閆學海研究員與劍橋大學Tuomas P. J. Knowles教授合作,選取雙親性的氨基酸和寡肽分子為模型組裝基元,通過對其組裝動力學的有效調控來追蹤監測超分子納米纖維的形成過程,進一步結合分子動力學模擬,研究發現氨基酸和寡肽均相溶液中會首先發生液-液相分離(LLPS)形成富含溶質的液滴,其作為分子聚集成核的“小室”。成核之后則遵從Ostwald熟化機制形成熱力學更加穩定的超分子納米纖維。LLPS形成的亞穩態液滴顯著降低了納米纖維的成核勢壘。上述結果揭示了超分子納米纖維形成過程中液-液相分離介導的多步成核新機制,回答了“成核點從何而來”這一困擾多年的科學難題,對超分子組裝的精準調控和纖維化相關疾病治療策略的開發具有重要的理論指導意義。該成果以題為"Nucleation and Growth of Amino-acid and Peptide Supramolecular Polymers through Liquid-liquid Phase Separation"發表在國際著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文導讀】

圖1 液-液相分離介導的氨基酸或寡肽超分子納米纖維成核-生長新機制示意圖
 
 
圖2 自組裝納米纖維動態演變過程的Cryo-TEM 圖像
 

 
(a) Ag+配位調控的Fmoc-Ala自組裝納米纖維隨時間變化的動態演變過程的Cryo-TEM 圖像;
(b) 溶劑交換形成的Fmoc-His自組裝納米纖維隨時間變化的動態演變過程的Cryo-TEM 圖像。

圖3 Z-FF經LLPS形成液滴及液滴相變形成自組裝納米纖維
 
 

(a) Z-FF溶液中液滴融合的明場顯微圖像;
(b)相分離液滴的固有熒光圖像及其在1秒內的融合;
(c) Z-FF從液滴到自組裝納米纖維動態演變過程的Cryo-TEM 圖像;
(d) Z-FF納米纖維成核過程的全原子分子動力學模擬。

圖4 Ag+配位Fmoc-Ala自組裝動態演變過程的動力學和熱力學分析
 
 

(a) Fmoc-Ala恒定濃度3.0 mg mL-1條件下,Ag+濃度對自組裝納米纖維形成時間的影響;
(b) Ag+恒定濃度8 mM條件下,Fmoc-Ala濃度對自組裝納米纖維形成時間的影響;
(c) 從液滴到納米纖維的結構演變過程中,熒光強度隨時間變化曲線;
(d) 對應于(c)中特定狀態的自組裝體形貌的TEM圖像;
(e) 種子實驗表明從液滴到納米纖維的結構轉變存在能壘;
(f) Ag+配位Fmoc-Ala自組裝形成液滴過程中觀察到的稀釋焓與Ag+含量的關系;
(g) 液滴和納米纖維的差示掃描量熱曲線;
(h) Ag+配位Fmoc-Ala動態自組裝過程(從亞穩態的液滴體到熱力學穩定的納米纖維)的自由能示意圖。

圖5 Ag+配位Fmoc-Ala自組裝納米纖維形成的驅動力
 

 
(a) 包覆尼羅紅的Ag+配位Fmoc-Ala組裝體隨時間變化的激光共聚焦掃描顯微鏡圖像;
(b) Ag+配位Fmoc-Ala納米纖維形成過程中隨時間變化的FTIR光譜;
(c) 液滴、納米纖維和Fmoc-Ala單體的UV-vis光譜;
(d) 液滴,納米纖維和Fmoc-Ala單體的FL光譜;
(e) Ag+配位Fmoc-Ala納米纖維的電噴霧電離質譜;
(f) DFT計算得到的Ag+-Fmoc-Ala配位化合物的穩定分子構象;
(g) 納米纖維層狀結構的分子堆積示意圖。

【小結】

本文中,作者探索了基于氨基酸和寡肽的超分子納米纖維的形成機理,發現液-液相分離是納米纖維成核的關鍵所在。經LLPS形成富含溶質的亞穩態液滴是邁向自組裝成核的第一步,該液滴的形成是一個熵驅動的過程;而液滴到納米纖維的轉變是一個焓驅動的過程。這些發現不僅為復雜仿生體系的設計和構建提供了新的思路,還對基于控制細胞內異常成核的潛在疾病治療策略的開發具有重要指導意義。
 

來源:材料人網
 
相關信息
   標題 相關頻次
 東華大學俞建勇院士、丁彬研究員團隊在自組裝二維納米網絡結構纖維空氣過濾材料制備領域的最新研究成果
 2
  擁有一個大白的夢想還有多遙遠?
 1
 #電子材料周報#智能傳感器,嘈雜中亦可聽見聲音
 1
 #新能源周報#德州大學工程師擬發明新裝置捕獲熱能
 1
 “4D打印技術” 材料可按編程變形/圖
 1
 《自然》《科學》一周(12.07-12.13)材料科學前沿要聞
 1
 《自然》《科學》一周(2.5-2.11)材料科學前沿要聞
 1
 《自然》《科學》一周(3.27-4.2)材料科學前沿要聞
 1
 3D打印技術突破將為打印“木制”產品開路
 1
 3-D印刷設備構建更好的納米纖維
 1
 Adv. Funct. Mater. 上海交大:超分子的分層自組裝行為
 1
 Adv. Mater.: 超強超硬纖維素納米纖維
 1
 MIT團隊用“螺旋形納米纖維”制作高彈性、有?;ぷ饔玫娜斯ぷ櫓?/a>
 1
 MIT趙選賀團隊研發高性能純導電聚合物水凝膠
 1
 Nature子刊:仿生分層材料直接自組裝可控制納米纖維形態
 1
 Nature子刊:末端帶電荷的可結晶均聚物的二維自組裝
 1
 NbSe2納米顆粒的合成及減摩性能
 1
 Science:納米粒子中層次結構復雜性的突發現象及其組裝
 1
 奧本大學張新宇教授與河北大學鄧奎林教授Adv Compos Hybrid Mater:具有高溶解度和增強的電化學性能的納米聚苯胺
 1
 澳大利亞新研究:新材料遇水變吸管
 1
 北大工學院于海峰團隊在液晶嵌段共聚物納米相分離的穩定化方面取得進展
 1
 北京大學&麥克馬斯特大學Macromolecules: 基于側鏈液晶聚合物多鏈柱的高度有序亞10nm圖案
 1
 北京大學范星河教授課題組在超分子型液晶嵌段共聚物自組裝領域取得新進展
 1
 北京大學于海峰研究員團隊在液晶與高分子復合材料領域取得進展:超分子液晶凝膠的制備、多重響應及其在全息光柵的應用
 1
 北京科技大學楊洲教授與中科院理化所王京霞研究員合作在藍相液晶光子晶體研究領域取得新進展
 1
 北科大Advanced Science: 高強度藍光發射的CsPbBr3二維自組裝納米晶
 1
 比防彈衣材料更強的纏結型納米纖維結構
 1
 便攜式纖維制備為我們帶來無限可能
 1
 醋酯纖維膜材料將成為過濾與分離領域的“明日之星”
 1
 大自然帶給我們的啟發:智能應答納米纖維復合材料
 1
 蛋白質和DNA能做手機屏?!
 1
 頂刊動態 | JACS/Angew/ACS Nano等高分子材料學術進展匯總
 1
 頂刊動態 | Nature子刊/AM/Nano Letters等納米材料最新學術進展匯總
 1
 頂刊動態 | Nature子刊/JACS/Nano Lett.等納米材料最新科研成果精選
 1
 頂刊動態 | Science/Nature子刊等納米材料前沿最新科研成果精選
 1
 頂刊動態|Nature子刊/JACS/AM等一周中國學術進展匯總
 1
 頂刊動態丨AM/Nano Lett.等期刊電子材料前沿最新科研成果精選
 1
 頂刊封面: 三月材料領域優秀成果十大精選
 1
 東華大學王宏志教授課題組《Nat. Commun.》:具有濕熱穩定性和舒適性的摩擦/鐵電協同電子織物材料
 1
 東華大學俞建勇院士、丁彬研究員團隊:用于骨質疏松性骨修復的智能自展開納米纖維3D彈性支架
 1
 東華大學俞建勇院士、丁彬研究員團隊在蛋白質吸附分離用納米纖維材料研究領域取得最新研究成果
 1
 東南大學研發納米纖維檢測技術 可檢測室內重金屬含量
 1
 對叔丁基酰胺化杯[8]芳烴/聚丙烯腈納米纖維對Cu2+的吸附性能
 1
 輔酶Q在CPT自組裝修飾電極上的電化學行為及其分析應用
 1
 復旦大學武培怡教授和上海大學安澤勝教授《Nature Communications》:聚合誘導自組裝領域(PISA)取得重要進展
 1
 復旦大學朱亮亮研究員課題組實現嵌端共聚物磁鐵控制的定向自組裝
 1
 高分子材料周報#含聚合物凝膠的超級電容器
 1
 個性化醫療有了材料幫手?東京大學研發納米纖維增強彈性體導體
 1
 工程熱物理所在石墨烯自組裝表面強化沸騰傳熱研究中取得進展
 1
 汞齊氧化法制備氧化鋁納米纖維
 1
一周新聞 Top 10
新品發布
專題報道
试客小兵怎样才能赚钱 鱼美人捕鱼机 民生银行月底不能赚钱呢 悦支付返现赚钱吗 犹太人赚钱哲理 开源硬件赚钱 哈尔滨麻将免费的 小刀赚钱 积分墙 如龙6前期赚钱 好彩赚钱平台 生产艾柱赚钱 红警地图 小散如何在股市中赚钱 1000捕鱼游戏 勇者斗恶龙5赚钱秘籍 金蟾捕鱼官网