CCS Chemistry | 向蛋白質學習,PNIPAM高分子單鏈納米粒子實現水相...

2021-01-15 澎湃新聞

以下文章來源於CCSChemistry ，作者CCS Chemistry

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吉林大學錢虎軍教授和趙環宇副教授合作，利用在變溫過程中具有coil-globule轉變行為的聚（N-異丙基丙烯醯胺）（PNIPAM）作為前驅體鏈，並利用光交聯反應，成功實現了具有從鬆散到密摺疊結構的溫敏型單鏈納米粒子SCNP的水相製備。

蛋白質因其獨特的多層次、精確的分子內摺疊結構以及由此帶來的豐富功能一直受到生命科學、化學和物理學家們的關注。受其啟發，高分子化學家通過單分子納米技術，將單鏈高分子進行鏈內摺疊發展了一類新型納米物質--單鏈納米粒子（single-chain nanoparticle, SCNP）。SCNP一般具有10 nm以下的粒子尺寸，同時保留了高分子前驅體鏈所特有的柔性可形變及刺激響應能力。此外SCNP可作為研究蛋白質摺疊的理想模型，對加深蛋白質、DNA等生命關鍵物質的多級摺疊結構與性能間關係的理解具有重要意義。

圖1 用官能團修飾聚合物前驅體鏈，當在稀溶液中觸發官能團反應時，將促進鏈內摺疊過程的發生。(此圖來自 Frank P, et al., Appl. Petrochem. Res., 2015, 5, 9–17.)

SCNP通常由前驅體高分子的分子鏈內交聯反應獲得（見圖1）。為了保證交聯反應僅在分子鏈內發生，往往需要在極稀溶液條件下實現。而高分子鏈在良溶劑中通常符合自規避行走模型，即鏈內交鏈反應通常先發生於鏈的局部，由此製備的SCNP缺乏對內部摺疊結構的有效控制。且合成的大部分SCNP具有局部交聯而整體開放、鬆散的結構，與天然蛋白所具有的緊密摺疊結構相比存在差異。如何獲得具有緊實內部摺疊的類蛋白結構，並且進一步實現對SCNP分子內摺疊程度及結構的系統控制是尚待解決的重要科學問題。

圖2 前驅體鏈及對比樣品PNIPAM, PEG-PNIPAM, ABP-PNIPAM 和 PNAE的合成

圖3 (a) 在1 mg/mL的水溶液中，利用DLS測得的PNIPAM、PNAE-5.3、PNAE-10.5和PNAE-12.8的流體力學半徑Rh的溫度依賴性; (b) 利用1H DOSY NMR測得的PNAE-12.8的擴散係數，並結合Stokes–Einstein 方程計算獲得的不同溫度下的Rh； (c, d) 在298k時，PNAE-12.8分別在氘代氯仿 (c) 和重水(d)中的1H NMR (500mhz) 譜圖(頂部)和1H NOE譜圖(中部和底部)。左上角的分子結構中的字母標示了該譜圖中的信號所對應的質子

將SCNP的前驅體高分子鏈在交聯前進行預塌縮不僅可用於解決SCNP的可控摺疊問題，更重要的是可用於製備具有密摺疊的球形類蛋白SCNP結構。早期研究表明聚（N-異丙基丙烯醯胺）（PNIPAM）在極稀水溶液中隨著溫度的升高會發生基於氫鍵斷裂的親疏水性的改變，發生單分子尺度的coil-globule轉變。這種基於溫度的構象轉變可以作為控制高分子單鏈摺疊結構的有力工具。吉林大學錢虎軍教授和趙環宇副教授合作，利用PNIPAM作為前驅體鏈，並利用光交聯反應，成功實現了具有從鬆散到密摺疊結構的溫敏型單鏈納米粒子SCNP的水相製備。作者在實驗中設計了含疏水性光交鏈基團二苯甲酮和親水性的寡聚乙二醇的三元無規共聚PNIPAM前驅體鏈，並研究了系列前驅體鏈隨溫度變化的行為。通過1H核磁NOE譜的構象分析，作者發現對比良溶劑氘代氯仿中的無耦合，在氘代水中的前驅體鏈主鏈中的氫發生明顯的靠近，說明在水溶液中前驅體鏈發生了塌縮。在水溶液的變溫實驗中，隨著溫度的升高，前驅體鏈的流體動力學半徑Rh逐步變小直至32℃後保持恆定。這些結果說明，合成的前驅體鏈在水中發生了預摺疊，並且其摺疊程度可以用溫度進行調控。在水溶液中通過控制反應溫度並利用光引發交聯製備不同SCNP並進行表徵後發現，不同溫度下合成的SCNP流體動力學半徑與前驅體鍊表現出相同的變化趨勢。結果表明，隨著溫度的升高，前驅體鏈發生程度越來越大的單分子塌縮，而超過32℃後其分子塌縮到緊實狀態不再發生進一步摺疊。這些結果在分子動力學模擬中得到了進一步證實。而通過對前驅體和相應SCNPs的流體動力半徑和分子量分布進行理論標度分析的結果表明，在高於PNIPAM臨界轉變溫度下合成的SCNPs確實具有類蛋白完全摺疊結構。此外，合成的SCNP保留了前驅體鏈的溫敏性質，隨著溫度的變化SCNP的尺寸發生明顯的熱縮冷漲行為。

圖4 （a）PNAE-12.8與在不同溫度下合成的單鏈納米粒子的SEC曲線。（b）PNAE-10.5與在不同溫度下合成的單鏈納米粒子小球的SEC曲線。(c)不同溫度下獲得的SCNP-10.5和SCNP-12.8納米粒子的重均分子量。（d）288K下獲得的SCNP-12.8納米粒子的TEM圖像，納米粒子經OsO4染色，溶液濃度在1mg/ml

圖5 單鏈納米粒子的合成路線及其在水溶液中的溫敏行為示意圖

圖 6 （a） PNAE-12.8與SCNP-12.8@288K的溫度依賴性：在不同溫度下利用1H DOSY NMR光譜法測試獲得擴散係數並結合Stokes–Einstein方程計算獲得的Rh數據。(b) 分子動力學模擬：紫色方塊和藍色圓圈分別代表純PNIPAM和PNAE前驅體在不同溫度下由舒展狀態到坍縮狀態的變化。綠色三角曲線代表不同溫度下鏈內交聯反應的SCNP的Rg的變化。橙色菱形代表在320K反應的SCNP在降溫時Rg的大小變化。並行虛線是SCNP@320K的理論溶脹最大值

綜上所述，該研究工作提供了一種簡單易行的用於控制單鏈納米粒子內部摺疊結構的新策略，該論文的第一作者是吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室的張合博士，文章中的電鏡照片由杭州師範大學的由吉春教授及研究生張良提供。本研究得到了國家自然科學基金委及吉林大學創新團隊項目的支持，文章以research article的形式發表在CCS Chemistry，並在官網 Just Published上線。

文章詳情：

He Zhang, Liang Zhang, Jichun You, Niboqia Zhang, Linxiuzi Yu, Huanyu Zhao*, Hu-Jun Qian* & Zhong-Yuan Lu. Controlling the Chain Folding for the Synthesis of Single-Chain Polymer Nanoparticles Using Thermoresponsive Polymers. CCS Chem. 2020, 2, 2143–2154.

文章連結：https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000190

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原標題：《CCS Chemistry | 向蛋白質學習，PNIPAM高分子單鏈納米粒子實現水相製備、摺疊可控》

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