近日，匡亞明學(xué)院董昊教授課題組基于“計(jì)算驅(qū)動(dòng)+實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的研究范式，通過調(diào)節(jié)溶液的pH，實(shí)現(xiàn)對于兩親型七肽Ac-IHIHIQI-NH2（IIQ）的結(jié)構(gòu)、形貌和熒光性質(zhì)的精確控制，發(fā)現(xiàn)自組裝結(jié)構(gòu)中的多肽主鏈間氫鍵網(wǎng)絡(luò)是其固有熒光的主要來源，且具有保守性。相關(guān)研究揭示了多肽層級自組裝誘導(dǎo)熒光的全新機(jī)制，加深了人們對環(huán)境因素調(diào)控多肽行為的認(rèn)識，為開發(fā)具備可調(diào)節(jié)光學(xué)特性的新型肽基材料奠定了基礎(chǔ)，在生物發(fā)光探針以及神經(jīng)退行性疾病診斷等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。
芳香性氨基酸通過分子內(nèi)或分子間的π-π*電子躍遷產(chǎn)生熒光現(xiàn)象，在生物分子識別與信號傳導(dǎo)中扮演著至關(guān)重要的角色，并已受到學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。然而，對于非芳香性多肽在自組裝過程所觸發(fā)的固有熒光特性，目前尚缺乏深入的科學(xué)理解。這種局限性的根源在于自組裝機(jī)制及其與熒光性質(zhì)之間的復(fù)雜相互作用尚未被徹底揭示。此外，這些多肽在諸如pH、鹽溶液等環(huán)境因素影響下的熒光動(dòng)態(tài)變化，同樣是一個(gè)較少被探索的領(lǐng)域。
在前期工作中，董昊教授課題組基于計(jì)算驅(qū)動(dòng)的研究思路，研究了七肽催化pNPA水解（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 223.）和硅烷產(chǎn)氫（J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 13488.）以及環(huán)二肽催化pNPA水解（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 17164.）的分子反應(yīng)機(jī)理及層級組裝機(jī)制，并系統(tǒng)總結(jié)了理論計(jì)算在自組裝多肽催化反應(yīng)機(jī)制研究中的進(jìn)展（Meth. Enzymol. 2024, 697, 321.）。在上述工作基礎(chǔ)上，課題組繼續(xù)深入探索pH調(diào)控與自組裝結(jié)構(gòu)以及光學(xué)性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，期望能夠發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律或者現(xiàn)象，為開發(fā)基于多肽的新型功能材料提供更多的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
本研究中，研究人員通過全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬，預(yù)測IIQ序列在從強(qiáng)酸到強(qiáng)堿的pH范圍內(nèi)均可以自組裝成有序結(jié)構(gòu)，并從原子層面闡明了結(jié)構(gòu)與環(huán)境因素之間的相互作用機(jī)制。其中溶液中的抗衡離子與帶電側(cè)鏈之間的相互作用在強(qiáng)酸/堿性條件下對自組裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用。
圖1. 計(jì)算預(yù)測不同pH條件下多肽具有不同的自組裝結(jié)構(gòu)和相互作用模式
研究人員通過圓二色譜表征，證實(shí)IIQ序列在不同pH條件下均可維持其β折疊片自組裝結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，原子力顯微鏡等顯微技術(shù)揭示了自組裝結(jié)構(gòu)在不同pH環(huán)境中存在顯著的形態(tài)學(xué)差異；這些形態(tài)變化與多肽鏈的局部電荷分布及與環(huán)境的相互作用密切相關(guān)。模擬預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)的高度一致性，充分說明計(jì)算驅(qū)動(dòng)方法在研究多肽自組裝體結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系方面的有效性，也從原子層面揭示了pH變化如何精細(xì)調(diào)控多肽的自組裝過程及其最終結(jié)構(gòu)形態(tài)。
圖2. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證多肽自組裝結(jié)構(gòu)的差異性和熒光特性的保守性
本研究觀察到所有自組裝體系在約305 nm處均呈現(xiàn)出明顯的熒光峰。第一性原理計(jì)算揭示了該固有熒光峰的本質(zhì)，即肽鏈中部的主鏈酰胺鍵在致密的氫鍵網(wǎng)絡(luò)保護(hù)下受激發(fā)，經(jīng)歷電荷轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生。這種由自組裝導(dǎo)致的主鏈氫鍵網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征顯著促進(jìn)了分子軌道的重疊，為電荷轉(zhuǎn)移過程提供了有利的條件。
進(jìn)一步的研究表明，體系的熒光強(qiáng)度對溶液pH表現(xiàn)出顯著的依賴性：在近中性條件下，自組裝結(jié)構(gòu)更為致密，則體系展現(xiàn)出較強(qiáng)的熒光強(qiáng)度。而分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了pH值對自組裝體主鏈間氫鍵的距離、角度以及能量分布的影響。這些參數(shù)的變化直接關(guān)聯(lián)到多肽鏈的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其動(dòng)態(tài)行為，進(jìn)而影響體系的熒光特性。因此，溶液pH不僅調(diào)控多肽鏈的自組裝過程，也對其熒光行為產(chǎn)生顯著的影響。
圖3. 多尺度模擬計(jì)算揭示多肽自組裝誘導(dǎo)熒光的分子機(jī)制
本研究秉持計(jì)算驅(qū)動(dòng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的研究思路，深入解析多肽層級自組裝復(fù)雜過程中各因素間的相互作用關(guān)系，揭示出多肽層級自組裝誘導(dǎo)熒光的全新機(jī)制，深化了對環(huán)境因素調(diào)控多肽自組裝行為的認(rèn)識，在熒光探針等生物醫(yī)藥領(lǐng)域具備潛在的應(yīng)用價(jià)值。
相關(guān)工作以“The Intrinsic Fluorescence of Peptide Self-Assemblies Across pH Levels”為題，于2024年12月13日發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》，并被選為“Very Important Paper”。文章鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202420567。南京大學(xué)2023級博士生研究生王曉雨為論文的第一作者，楊玉欽博士以及碩士研究生楊昊琨為共同第一作者，南京大學(xué)匡亞明學(xué)院董昊教授為論文的通訊作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及關(guān)鍵地球物質(zhì)循環(huán)前沿科學(xué)中心等項(xiàng)目的資助，同時(shí)得到匡亞明學(xué)院、生命分析化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、南京大學(xué)化學(xué)和生物醫(yī)藥創(chuàng)新研究院（ChemBIC）和南京大學(xué)腦科學(xué)研究院等的支持。
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