陳昌盛，李仕穎，王 俊，張先正，卓仁禧

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院生物醫(yī)用高分子材料教育部重點實驗室，湖北武漢430072)

小分子硼酸肽的自組裝

陳昌盛，李仕穎，王 俊，張先正，卓仁禧

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院生物醫(yī)用高分子材料教育部重點實驗室，湖北武漢430072)

利用FMOC化學(xué)固相多肽合成法合成了3種含精氨酸的小分子硼酸肽(標(biāo)記為BPs(1-3))。在生理pH下，含陽離子的硼酸肽可自組裝形成有序超分子納米組裝體。二羥基酚染料茜素紅與硼酸肽可特異性結(jié)合形成五元環(huán)硼酸酯，伴隨熒光和顏色的顯著變化，可進(jìn)一步調(diào)控硼酸肽的自組裝行為。通過掃描電鏡研究茜素紅調(diào)控前后硼酸肽的自組裝形態(tài)，并用紅外光譜和圓二色譜研究其自組裝機理。結(jié)果表明，3種含精氨酸硼酸肽在生理pH下可自組裝形成不同的超分子納米組裝體。通過茜素紅的調(diào)控，茜素紅/硼酸肽化合物，可自組裝形成更有序，更精致的超分子聚集體。

硼酸肽;自組裝;超分子聚集體;納米材料

1 前言

自組裝或自組織是自然界中普遍存在的一種現(xiàn)象，是構(gòu)建絢麗多彩的生物世界的一種普遍方法。從DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)和細(xì)胞膜的磷脂雙分子層到功能齊備的細(xì)胞以及完整的生命個體，無不蘊含有自組裝或自組織現(xiàn)象。海洋魚類的洄游，天空飛鳥的遷徙同樣體現(xiàn)著自組織的美麗風(fēng)景和生命特征。自組裝也是構(gòu)建功能材料的一種新方法，基于脂質(zhì)體、核酸以及蛋白質(zhì)的納米組裝體，研究人員總結(jié)出了一套“自下而上”的方法來構(gòu)建自組裝納米材料。從分子設(shè)計出發(fā)，構(gòu)建自組裝分子砌塊，通過分子砌塊的多種非共價鍵的協(xié)同作用自組裝或自組織形成高度有序的微、納米聚集體。目前，磷脂類分子自組裝成膠束或囊泡，DNA分子自組裝形成圖案化的微、納米有序聚集體，以及多肽分子自組裝形成納米纖維、納米管、納米球等超分子組裝體已成為仿生制備的熱點研究領(lǐng)域，部分仿生自組裝材料已被用于藥物和基因傳遞或組織工程領(lǐng)域［1－3］。

多肽的同源性結(jié)構(gòu)以及多種功能性序列決定了它是一類良好的生物材料。近年來，多肽分子砌塊用于構(gòu)建功能納米材料，得到了廣泛的研究和發(fā)展［3－5］。同時，多肽的折疊和自組裝也是誘導(dǎo)某些神經(jīng)退行性疾病，如阿爾茲海默綜合癥和亨廷頓舞蹈癥等的重要因素［6］。因此，研究多肽的自發(fā)自組裝對于構(gòu)建功能性納米材料，理解生命現(xiàn)象，攻克疑難疾病等具有十分重要的意義。目前，多肽的自組裝已取得了長足的發(fā)展，主要是基于α-螺旋，β-折疊，β-發(fā)夾，類脂質(zhì)體多肽以及含芳香基團多肽在特殊環(huán)境或刺激下的自組裝行為的研究。這些多肽材料能夠組裝成諸如納米纖維，納米管，納米帶，納米球以及宏觀的水凝膠支架材料等，并具有一定的刺激響應(yīng)性能［7－11］。然而在生理pH下，多肽的自組裝行為研究甚少，相比之下，生理pH下的多肽自組裝納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更具應(yīng)用前景。

本文設(shè)計了3種含陽離子的小分子硼酸肽，在生理pH下，這些小分子硼酸肽能夠自組裝形成超分子聚集體。利用苯硼酸與鄰二羥基化合物特異性，結(jié)合形成五元環(huán)的硼酸酯結(jié)構(gòu)［12－13］，茜素紅(一種鄰二酚染料)可進(jìn)一步調(diào)控小分子硼酸肽的自組裝行為。茜素紅能夠與苯硼酸迅速結(jié)合，并伴隨顏色和熒光性能的顯著變化［14］。硼酸酯的形成，在一定程度上改變了硼酸肽的分子性質(zhì)和構(gòu)象，并提供新的自組裝驅(qū)動力，將誘導(dǎo)新的組裝機理和新的超分子納米組裝體的產(chǎn)生。

2 實驗

2.1 硼酸肽(BPs(1-3))的合成

3種含精氨酸的硼酸肽(BPs(1-3))通過標(biāo)準(zhǔn)FMOC化學(xué)固相多肽合成法合成，固相載體采用酸敏感的二氯三苯甲基氯樹脂(DVB為1%，SD為1.08 mmol/g)［15］。具體合成策略簡述如下:取1.0 g樹脂于固相合成柱中(Sigma-Aldrich Filtration)，分別用二氯甲烷(DCM)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)洗滌兩次，排出溶劑，用DMF溶脹1 h，排出溶劑。向反應(yīng)器中加入氨基以及側(cè)基的胍基分別被9-芴甲氧羰基(FMOC)和2，2，4，6，7-五甲基-2H-苯并呋喃-5-磺?；?Pbf)保護(hù)的精氨酸(FMOC-Arg(Pbf)-OH)和二異丙基乙胺(DIEA)的DMF溶液，攪拌反應(yīng)1.5 h，排出反應(yīng)液，并用DMF洗滌。然后加入20%哌啶/DMF(體積比)溶液反應(yīng)20 min，脫除氨基端的FMOC保護(hù)基，并用DMF洗滌。加入氨基被9-芴甲氧羰基(FMOC)保護(hù)的纈氨酸(FMOC-Val-OH)，O-(1H-苯并三唑-1-基)-N，N，N，N'-四甲基脲六氟磷酸鹽(HBTU)，1-羥基苯并三唑(HOBt)和二異丙基乙胺(DIEA)的DMF溶液，攪拌反應(yīng)1.5 h，排出溶劑，用DMF洗滌。重復(fù)以上脫保護(hù)、縮合步驟延長肽鏈。最后，用DMF，甲醇和DCM分別洗滌樹脂，真空干燥24 h，然后加入切落劑(體積比為82.5%三氟乙酸，2.5%乙二硫醇，6%苯酚，4.5%苯甲硫醚、4.5%水)反應(yīng)1.5 h，收集濾液及洗滌液，旋蒸濃縮后滴加到冷乙醚中得到白色沉淀，抽濾洗滌得到白色固體粉末，粗產(chǎn)品經(jīng)低溫冷凍干燥待用。

2.2 硼酸肽(BPs(1-3))的分子量鑒定

將硼酸肽溶于DMF/甲醇溶液中，配成0.5 mg/mL的溶液，用毛細(xì)管電泳電噴霧質(zhì)譜(CE-ESI-MS，LCQ Advantage，F(xiàn)inigan，USA)檢測其分子量，鑒證其結(jié)構(gòu)的正確性。

2.3 硼酸肽自組裝溶液的制備

將硼酸肽溶于pH為7.4的磷酸鹽緩沖溶液中，配成1 mmol/L的自組裝溶液，靜置待用;另外向上述溶液中加入等摩爾量的茜素紅(ARS)粉末，輕微搖蕩后，靜置。數(shù)小時后，上述自組裝溶液即可進(jìn)行后續(xù)的實驗和表征。

2.4 紫外可見光譜和熒光發(fā)射光譜表征

將上述自組裝溶液稀釋到0.5 mmol/L，用紫外可見分光光度計(UV-vis，PERKIN-ELMER，USA)檢測其在380－650 nm波段內(nèi)的紫外可見吸收;用LS55熒光分光光度計(PERKIN-ELMER，USA)檢測其在500～700 nm的熒光發(fā)射光譜，檢測的發(fā)射波長為495 nm。

2.5 硼酸肽自組裝形貌觀察

將1 mmol/L硼酸肽自組裝溶液滴在干凈的硅玻璃片上，自然晾干后，用SEM觀察其微觀自組裝形貌，掃描電壓為30 kV。

2.6 圓二色譜和傅里葉變換紅外光譜表征

將0.5 mmol/L的自組裝溶液置于5 mm的石英樣品池中，用圓二色譜儀檢測其紫外吸收，考察自組裝形態(tài)中硼酸肽分子的空間排列，檢測范圍為190～350 nm。將1 mmol/L的自組裝溶液用液氮極速冷凍，低溫冷凍干燥后，與KBr研磨壓成片，用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)檢測多肽自組裝過程中形成的二級結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與討論

3.1 硼酸肽的合成與性質(zhì)

3種含精氨酸硼酸肽采用標(biāo)準(zhǔn)FMOC化學(xué)固相多肽合成法合成，其結(jié)構(gòu)如圖1a所示。

質(zhì)譜結(jié)果顯示3種多肽均呈現(xiàn)單一的離子峰，數(shù)據(jù)如表1所示，檢測值分別為BP1，606.4(M+H++14);BP2，889.4(M+H++14);BP3，622.4(M+2H++14)/2，說明3種硼酸肽分子結(jié)構(gòu)是正確的，且基本上無雜質(zhì)。質(zhì)譜中出現(xiàn)的分子量多14的現(xiàn)象，主要是由于硼酸基團在特殊條件下易與羥基化合物反應(yīng)，致使低沸點的甲醇在電噴霧過程中與之結(jié)合并失去一分子水造成的。在生理pH(PBS 7.4緩沖溶液)下，鄰二羥基酚染料茜素紅可與苯硼酸特異性結(jié)合形成五元環(huán)硼酸酯化合物，并且茜素紅的顏色和熒光會發(fā)生顯著變化。結(jié)合這一特性，硼酸肽的自組裝可進(jìn)一步通過茜素紅來調(diào)控。如圖1(b)所示，在生理pH條件下，硼酸肽與茜素紅通過配位作用形成茜素紅/硼酸肽化合物，茜 素紅溶液由最初的酒紅色轉(zhuǎn)變成黃色。

圖1 (a)硼酸肽BPs(1-3)化學(xué)結(jié)構(gòu)，(b)硼酸肽與茜素紅的反應(yīng)示意圖，(i)1 mmol/L ARS溶液，(ii)與硼酸肽反應(yīng)后溶液Fig.1 (a)Chemical structures of three borono-peptides(BPs(1-3))and(b)schematic illustration of reaction of BPs with ARS，(i)1 mmol/L ARS solution，(ii)solution after reaction of BPs with ARS

表1 3種硼酸肽(BPs(1-3))的電噴霧質(zhì)譜Table 1 ESI-MS analysis of three borono-peptides(BPs(1-3))

紫外可見光譜和熒光發(fā)射光譜(圖2)亦顯示，3種硼酸肽均與茜素紅有較強的結(jié)合能力，紫外吸收發(fā)生明顯的藍(lán)移，從原來的518 nm分別遷移到462 nm(BP1)，467 nm(BP2)和469 nm(BP3)(圖2a)。3種硼酸肽配位后藍(lán)移顯示的細(xì)微差別可能是由于茜素紅/硼酸肽化合物不同的自組裝聚集體引起的部分紅移造成的。這一現(xiàn)象同樣也體現(xiàn)在熒光發(fā)射光譜中，3種硼酸肽的熒光發(fā)射強度有明顯的差別且呈現(xiàn)略微的紅移(圖2b)。這在一定程度上也說明了3種茜素紅/硼酸肽化合物形成了不同的超分子聚集體。

圖2 茜素紅與硼酸肽反應(yīng)前后的紫外吸收光譜(a)和熒光發(fā)射光譜(b)Fig.2 UV-vis(a)and fluorescent(b)spectra of before and after reaction of BPs(1-3)with ARS

3.2 硼酸肽的自組裝形貌

3種含精氨酸硼酸肽在pH=7.4的磷酸鹽緩沖溶液中組裝成不同的超分子聚集體。通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)(圖3):BP1在硅玻璃片上鋪成了一層致密的膜結(jié)構(gòu)(圖3a);BP2自組裝形成了直徑約為40 nm的簇狀納米棒(圖3b);而BP3自組裝形成了長約1.4 μm，直徑約為90 nm的規(guī)則納米棒，且這些納米棒呈一定的空間生長趨勢(圖3c)。通過加入茜素紅進(jìn)一步調(diào)控其自組裝，我們發(fā)現(xiàn):3種茜素紅/硼酸肽化合物的自組裝形態(tài)均發(fā)生了較大的變化。BP1致密的膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成了粒徑約30～40 nm的納米粒子堆積而成的膜結(jié)構(gòu)(圖3d);BP2的簇狀納米棒生長成了枝化的纖維結(jié)構(gòu)，可以明顯的看出纖維產(chǎn)生了分支以及粗細(xì)之分(圖3e);而BP3定向生長的納米棒，則發(fā)展成枝化狀定向排列的細(xì)小納米棒，此納米棒是由20～30 nm的納米粒子連接而成的約200 nm長的有序結(jié)構(gòu)(圖3f)。以上結(jié)果說明，含陽離子的硼酸肽在生理pH下具有一定的自組裝能力，視其結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性，可形成不同的超分子納米聚集體;而茜素紅的調(diào)控可以改變硼酸肽的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和協(xié)調(diào)性，誘導(dǎo)形成新的超分子聚集體。

圖3 3種硼酸肽BPs(1-3)自組裝超分子納米結(jié)構(gòu)(a－c)及經(jīng)茜素紅調(diào)控后的BPs(1－3)自組裝超分子納米結(jié)構(gòu)(d－f)的SEM像Fig.3 SEM images of self-assembled BPs(1-3)(a－c)and self-assembled BPs(1-3)recognized with ARS(d－f)

3.3 自組裝機理探討

多肽的自組裝是通過多種非共價鍵的協(xié)同作用進(jìn)行分子的有序堆積或組裝，形成特定結(jié)構(gòu)的超分子聚集體。其中，多肽所采取的二級結(jié)構(gòu)構(gòu)象對于自組裝的發(fā)生和結(jié)果，有著至關(guān)重要的影響。因此，通過圓二色譜和傅里葉變換紅外光譜檢測多肽的二級結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步探討硼酸肽的自組裝機理。圓二色譜的測試結(jié)果如圖4a～c所示，BP1在204 nm及219 nm附近有負(fù)的特征吸收譜帶，說明BP1所采取的構(gòu)象是α-螺旋和無規(guī)卷曲的二級結(jié)構(gòu);加入茜素紅后，204 nm處負(fù)的特征吸收峰遷移到208 nm，表現(xiàn)為典型的α-螺旋的特征吸收峰，說明ARS/BP1主要是以α-螺旋構(gòu)象存在的。這一結(jié)果可能是茜素紅上的磺酸基離子與精氨酸側(cè)基上氨基離子的靜電作用，有利于α-螺旋的分子內(nèi)氫鍵的形成。BP2在195 nm處的正吸收峰及221 nm處的負(fù)吸收峰，是典型的β-折疊構(gòu)象，而205 nm處的負(fù)吸收峰表明有部分無規(guī)卷曲的結(jié)構(gòu)存在。由于精氨酸之間的靜電斥力及疏水氨基酸的空間效應(yīng)，BP2趨向于形成β-折疊結(jié)構(gòu);加入茜素紅后，其吸收峰遷移至200 nm和219 nm的負(fù)吸收譜帶，即表明BP2由β-折疊轉(zhuǎn)變成無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)，這一轉(zhuǎn)變可能是由茜素紅上的磺酸基離子與精氨酸側(cè)基上氨基離子的靜電作用引起的。BP3在200 nm處呈現(xiàn)負(fù)的吸收峰，是無規(guī)卷曲的構(gòu)象，這是由多個精氨酸側(cè)基上陽離子的靜電斥力以及多個疏水氨基酸的空間效應(yīng)引起的。形成ARS/BP3后，其吸收峰遷移到205 nm和214 nm處的負(fù)吸收譜帶，說明鍵合茜素紅后其構(gòu)象向α-螺旋和β-折疊轉(zhuǎn)變，其結(jié)果可能是磺酸基離子與精氨酸側(cè)基上氨基離子的靜電作用引起的。

從圖4d～f的傅里葉紅外光譜可以看出，硼酸及茜素紅鍵合后的衍生物在自組裝過程中形成的二級結(jié)構(gòu)。BP1在1 645 cm－1的特征吸收是無規(guī)卷曲的構(gòu)象，而1 654～1 670 cm－1的坡峰則是α-螺旋和無規(guī)卷曲的共同結(jié)果。鍵合茜素紅后，其紅外吸收顯示為一肩峰(1 645～1 660 cm－1)，也表明ARS/BP1主要是以α-螺旋構(gòu)象存在的。BP2在1 637 cm－1的特征吸收是典型的β-折疊結(jié)構(gòu)，形成ARS/BP2后，出現(xiàn)了兩個特征吸收(1 635 cm－1和1 680 cm－1)，表明形成纖維的硼酸肽分子可能是以反平行 β-折疊進(jìn)行組裝的。BP3在1 647 cm－1的紅外吸收顯示為無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)，鍵合茜素紅后其紅外吸收略有偏移，向β-折疊轉(zhuǎn)移。

圖4 3種硼酸肽(BPs(1-3))及經(jīng)茜素紅調(diào)控后的自組裝超分子納米結(jié)構(gòu)的圓二色譜(a－c)和傅里葉遠(yuǎn)紅外光譜(d－f)Fig.4 CD(a－c)and FTIR(d－f)analyses of self-assembed BPs(1-3)and self-assembed BPs(1-3)recognized with ARS

綜上分析，3種含精氨酸的硼酸肽由于陽離子殘基的相互作用以及疏水氨基酸的空間效應(yīng)等，可通過不同的二級結(jié)構(gòu)組裝形成一定的超分子納米聚集體。而且，由于硼酸基團具有一定的自聚能力，因而在一定程度上可以形成BP1的膜結(jié)構(gòu)，BP2的簇狀結(jié)構(gòu)以及BP3的定向生長結(jié)構(gòu)。通過茜素紅進(jìn)一步調(diào)控其自組裝，一方面引入了共軛π電子體系，改變了分子的親疏水性，并提供π電子堆疊作用;另一方面，磺酸基負(fù)離子與多肽片段中的氨基離子的靜電作用對多肽的二級結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而影響其自組裝行為。在上述多重因素的影響下，茜素紅/硼酸肽化合物可自組裝形成更加有序或更精致的超分子納米材料。

4 結(jié)論

利用固相多肽合成法合成了3種含精氨酸的小分子硼酸肽，它們在生理pH下，均可自組裝形成不同的超分子納米組裝體。通過引入茜素紅，改善了硼酸肽的熒光性能，同時進(jìn)一步調(diào)控了其自組裝行為。3種硼酸肽及其茜素紅衍生物，是通過不同的二級結(jié)構(gòu)進(jìn)行自組裝的，硼酸肽的分子結(jié)構(gòu)及調(diào)控因子的分子構(gòu)造對其自組裝行為有重要的影響。鑒于多肽材料良好的生物相容性、多種功能性序列和優(yōu)越的自組裝性能，可調(diào)控的硼酸肽自組裝納米材料，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如酶抑制劑，中子捕獲劑，藥物控釋系統(tǒng)和多糖感應(yīng)器等，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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Self-Assembly of Oligo-Borono-Peptides

CHEN Changsheng，LI Shiying，WANG Jun，ZHANG Xianzheng，ZHUO Renxi
(Key Laboratory of Biomedical Polymers of Education Ministry，College of Chemistry and Molecular Sciences，Wuhan University，Wuhan 430072，China)

Three arginine-containing oligo-borono-peptides(BPs(1-3))were synthesized by employing a standard FMOC chemistry SPPS.BPs(1-3)could spontaneously self-assemble into supramolecular architectures at a physiological environment.With recognition between BPs and alizarin red S(ARS)，the five-membered ring borate esters(ARS/BPs)could be formed with dramatic changes in fluorescent feature and visible color.These self-assembled supramolecular architectures were observed by scanning electron microscope(SEM)and their self-assembly mechanisms were explored by Fourier Transform Infrared Spectroscopy(FT-IR)and Circular Dichroism(CD).It was found that BPs were capable of selfassembling into well-ordered supramolecular architectures，and after recognition of ARS，ARS/BPs could further self-assemble into more ordered and sophisticated supramolecular architectures.

borono-peptide;self-assembly;supramolecular architecture;nanomaterial

R318.08

A

1674－3962(2012)06－0049－06

2012－04－01

科技部973計劃項目 (2011CB606202)，基金委面上項目(20974083)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(201120302020004)

陳昌盛，男，1984年生，博士研究生

張先正，男，1971年生，教授，博士生導(dǎo)師