蛋白质的变构效应是其在和配体结合后发生构象变化的一种独特行为，它显著影响生命体内的信号传导与识别。该变构效应也可以调节蛋白质本身的组装行为。以人类乙型肝炎病毒的核心蛋白为例，借助与药物小分子的结合，蛋白质中的α螺旋结构发生变化，其所形成的衣壳组装体从原本的二十面体转变为螺旋管状结构。为了模仿天然蛋白的变构行为，人工合成的多肽在外界刺激下也可在α螺旋、β片层等不同的构象间发生转变，但大多数的多肽仅能形成为胶束、囊泡等组装形貌。即便是在多肽上引入手性位点，其所形成的组装体中仍较少存在手性结构，这与自然界中的蛋白变构组装存在一定的差异。

 

近日，北京大学的张洁/宛新华教授团队报道了基于聚苯乙炔螺旋链的构象转变调控自组装行为及其高效手性传递。相关成果以“Allostery-Mimicking Self-assembly of Helical Poly(phenyacetylene) Block Copolymers and the Chirality Transfer”为题，发表在国际化学著名期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。17级博士蔡思良、毕业博士生陈珺娴为共同第一作者。

 

【聚苯乙炔嵌段共聚物的合成】

作者设计了如图所示的聚苯乙炔嵌段共聚物PPA-b-PsmNap，通过铑活性聚合催化剂成功地合成出了窄分布的嵌段共聚物，并用¹H NMR对该嵌段共聚物的结构组成进行了详细的表征，GPC结果也显示各嵌段共聚物的分散度在1.06-1.16之间。嵌段共聚物PPA-b-PsmNap以聚苯乙炔（PPA）为亲溶剂链段，而对于聚苯乙炔衍生物（PsmNap）链段，其构象会在四氢呋喃中由cis-transiod伸展螺旋结构逐渐变为cis-cisoid紧密螺旋结构，这种构象的变化会导致PsmNap链段溶解性会下降并发生聚集，继而实现构象转变诱导自组装。

图1. 聚苯乙炔嵌段共聚物PPA-b-PsmNap的合成

 

【螺旋链的构象转变及其可调性】

圆二色谱、紫外光谱均可表征上述从cis-transiod → cis-cisoid主链螺旋构象的变化。如图所示，对应于聚苯乙炔主链的Cotton效应由最初的弱正信号（450 nm）逐渐变为强负信号（375 nm），表明了主链的构象变化；主链特征吸收、聚合物溶液颜色的改变进一步证明了这一点。同时，在280nm和300nm处归属于芳香侧基的CD信号逐渐增强，表明聚合物侧基逐渐呈螺旋排列。对于绝多数的聚苯乙炔及其衍生物而言，由于构象变化速度太快，难以研究其动力学过程，仅适合分析其构象变化中初态和终态的热力学参数。而在本研究中，常温条件下PsmNap链段的自发构象变化可持续近60 h，有利于探究其动力学过程。作者通过动力学参数k定量表征了这种构象转变速度，其与温度、溶剂成分以及聚合物的分子量相关。进一步利用Arrhenius方程计算出其构象转变活化能（E_a）约为62.35 kJ/mol，低于传统的静态螺旋聚合物（如聚二苯乙炔，E_a = 88 ~ 187 kJ/mol），这表明嵌段共聚物PPA-b-PsmNap具有较低的构象转换能垒。

图2. 聚苯乙炔螺旋链的构象变化及其可调性

 

【构象诱导自组装行为】

随着PsmNap链段主链发生cis-transiod → cis-cisoid的构象变化，其在四氢呋喃中的溶解性会发生下降继而触发嵌段共聚物PPA-b-PsmNap的自组装。作者在四氢呋喃中加入15%的N,N-二甲基甲酰胺溶剂以减缓构象转变速度，成功地观察到了一系列组装体形貌的演变过程。从透射电镜上可以发现：聚合物在初期形成了直径约为117nm的囊泡，随着主链构象的进一步变化，囊泡逐渐转变为纳米带，纳米带会进一步扭曲形成螺旋绳。静态、动态光散射的实验结果与上述透射电镜的现象一致。此外，不同分子量的PPA-b-PsmNap在相同条件下的构象转变诱导自组装存在一定的差异。作者合成了四类PsmNap长度不同的嵌段共聚物，研究其在四氢呋喃以及混合溶剂中的构象转变诱导自组装行为。对于短链PsmNap的嵌段共聚物，其更容易形成初期的囊泡，而长链PsmNap的嵌段共聚物更容易形成末期的螺旋绳组装体。通过在四氢呋喃加入适当的极性溶剂（如N,N-二甲基甲酰胺），则更容易观察到组装中间态及其演变过程。另外，终态螺旋绳组装体能在溶剂中保持长时间的稳定而不聚集（＞6天）。

 

图3. 聚苯乙炔嵌段共聚物的构象诱导自组装行为

 

【螺旋链的高效手性传递】

嵌段共聚物PPA-b-PsmNap（S型）的最终组装形态为螺旋绳结构，且具有明显的螺旋偏向。作者进一步合成对映体PPA-b-PrmNap（R型），两者的CD光谱呈现镜像对称关系，其在相同条件下所形成终态螺旋绳的旋向也保持对应相反。为了更清晰、准确地表征组装体的手性结构，作者利用原子力显微镜对组装体进行了详细的形貌表征。结果显示该螺旋绳的高度为15 nm，宽度为42 nm，其高度测量图上的双峰特征表明这些绳形组装体是由两条单链组成的，即呈现双链螺旋纳米绳结构。此外，组装体中还存在少量宽度10 nm的单股绳以及多股缠绕的超螺旋绳结构。AFM图像的统计分析表明，螺旋绳的缠绕方式与聚合物的手性保持严格一致。作者分别在R型以及S型的嵌段共聚物中统计了20个不同区域的螺旋绳缠绕模式，PPA-b-PrmNap（R型）中有66个左手螺旋缠绕和1个右手螺旋缠绕，即左手螺旋超过98%，在S型分子中相应地也有＞98%的右手螺旋。

 

上述单一螺旋偏向的组装体形貌表明聚合物的分子手性准确地传递到了组装体上，即其在自组装中的手性传递具有显著的选择性。而在之前的工作中，作者通过聚合诱导自组装（PISA）所可合成超分子螺旋结构的螺旋偏向并不是十分明确，即左、右手螺旋结构明显共存。上述差异可能是聚合物缓慢构象转变所带来的优势。为了更好的比较，作者进一步利用PISA的方式进行嵌段共聚物PPA-b-PsmNap的合成及其自组装实验。结果表明聚合反应70分钟后体系中形成了右手螺旋纤维，但210分钟后组装体失去了原有的手性结构，呈现无明显螺旋结构的普通纤维，这表明PISA所制备的手性组装体并不稳定。综上所述，构象转变诱导自组装是一种有效的手性传递途径，螺旋链的手性能准确传递到组装体上且保持长时间的稳定，同时其对蛋白变构自组装的研究也具有重要意义。

图4. 构象转变诱导自组装下的准确手性传递

 

总结：作者设计合成了新型的聚苯乙炔嵌段共聚物，该聚合物在特定溶剂中可实现构象转变诱导自组装（CTISA），组装体形貌随着聚合物主链的构象变化发生从囊泡到纳米片、螺旋绳等一系列的演变。聚苯乙炔的构象转变速度受环境温度、溶剂成分、聚合物分子量等因素影响，并进一步调节组装体的形貌。终态螺旋绳具有明确的螺旋缠绕偏向，其与聚合物分子手性保持对应，表现出高效的手性传递（＞98%）。该研究为模拟蛋白变构自组装提供了一种新的途径。

 

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202100551

DOI: 10.1002/ange.202100551