氢键网格形式在离域pi;电子共轭寡肽纳米结构中的变化

Brian D. Wall, Yuecheng Zhou, Shao Mei, Herdeline Ann M. Ardoña, Andrew L. Ferguson, and John D. Tovar.

摘要：这种光物理研究表征了纳米材料中存在的分子间电子相互作用的一般性，这种纳米材料源自自组装寡聚磷酸酯嵌入pi;共轭低聚亚苯基亚乙烯基（OPV）亚基s和二苯乙烯基苯，原则上呈现两种不同的beta;折叠基元。两种不同的合成方法导致寡肽在自组装后期望自组装成由beta;-折叠状二级结构稳定的多聚体聚集体。靶分子表达与中央OPV核心连接的两个C末端（对称肽）或天然寡肽（非对称肽）典型的更常见的N端至C端极性。显示两种肽二级结构均形成具有紧密的分子间pi;电子相互作用的延伸的1-D肽聚集体。pi;共轭OPV片段的长度差异导致分子间相互作用的程度和所产生的光物理学不同。含有较短二苯乙烯（OPV2）单元的肽显示出很少的基态相互作用并导致发射体发射，而较长的二苯乙烯基苯（OPV3）肽在相邻pi;共轭亚基之间具有不同的基态相互作用，导致由激子耦合引起的扰动电子性质或准分子激发态。新生聚集体形成的分子动力学模拟预测肽二聚化为自发过程，对于所考虑的四种分子拥有2-6 kcal/mol范围内的热力学驱动电位。含有OPV3亚基的肽的反平行堆积在热力学上优于平行取向，而两种排列对于含有OPV2亚基的肽均同等有利。这项研究验证肽-pi;-肽自组装的通用性以提供电子离域的超分子结构，并且表明肽序列设计中的灵活性作为调节pi;-共轭超分子聚合物的材料性质的方式。

1、前言

天然生物蛋白质的折叠和组装支撑着许多对生命至关重要的生物过程。合成寡肽已经证明自组装具有期望的结构和功能特性的独特大分子结构的巨大潜力。当考虑肽结构的不同水平（从一级氨基酸序列到二级和三级结构）时，丰富的结构可能性展示了肽的用于材料开发的多功能scaff。除了它们的结构多样性之外，肽在生物相关条件下组装并且与生物系统具有特异性相互作用的能力为强大的生物材料和组织工程方案创造了适当位置。控制肽基材料的大分子结构的能力为合理地设计所产生的材料分子水平^[1]。肽类物质的整体性质可以通过一级氨基酸序列的变化来调节，生物功能性甚至可以直接受到与其相关的肽的干扰。寡肽在其组装状态下的分子间关联也可以与pi;共轭体系结合使用，以大幅度改变它们的（光电子）电子性质。原则上这种修饰应该导致基于蛋白质组装的侵略性扰动，特别是当pi;-pi;共轭亚基的非天然芳香族四极杆直接掺入肽骨架中。但是，最近几个实验室的工作已经验证，肽-pi;-肽三嵌段分子的自组装模式，其中pi;-肽共轭内部单元提供用于研究肽自组装的光谱手柄。以可预测的方式影响肽缔合并调节预期大分子的能力结构至关重要^[2]。在本报告中，我们描述了肽基氢键网络的性质如何影响自组装和纳米结构电子性质。具有形成1-D超分子聚集体的能力的非天然寡肽，具有不同的氢键模体，为独特的电子生物材料提供新的设计机会。这项研究的目的是提供新的电子信息，说明作为氢键基序的主要功能的肽聚集的差异如何影响肽聚集体的光电子性质^[3]。从更一般的意义上讲，这些研究还提供了治理原则，以合理设计特定类型的超分子聚集体，这些超分子聚集体可用于开发与生物相关的光电子生物材料。

2、结果与讨论

我们设计并合成了四种嵌有亚苯基亚乙烯基发色团的寡肽，如图1所示，并研究了它们的光物理和形态特性。这里研究的寡肽全部由相同的一级氨基酸序列DFAG组成，就相对于中心pi;共轭核心的残基放置而言，尽管两个发色团实例中的每一个的肽骨架方向性不同（图1）。选择四肽DFAG以在中性或碱性pH下提供足够的水溶性，并在由于羧酸盐形式质子化而降低pH时进行自组装侧链。我们选择低聚亚苯基亚乙烯基色卟啉（OPV），由于其已建立的光物理性质，包括二苯乙烯（OPV2）和二苯乙烯基苯（OPV3）。在一次介绍中，沿着分子长度保持了肽N-to-C键（或“方向性”）的相同意义，从而导致具有一个不同N-和C-末端的最终分子（这里称为作为“非对称”），而在另一种表现中，N-to-C方向从镜像意义上来自中心pi;共轭核心的相反方向发出，因此导致最终分子呈现两个C末端（在此称为“对称”）^[4]。我们利用我们实验室开发的方法，用这两种二肽序列呈现合成了基于肽的OPV材料，如下文所述。我们先前展示了中心发色团单元周围的肽序列变化如何影响所得超分子纳米结构的光物理性质，在这种情况下，我们本质上保持了相同的结构单元，尽管它们具有不同的骨架方向性^[5]。在这份报告中，我们研究了这些多肽N-to-C极性如何影响纳米结构光物理学，使用经过充分研究的OPV作为原型示例。

OPV酰胺化合物和肽的合成。我们报道了几种基于多肽的有机电子材料的合成方法，我们在这里采用其中两种方法。第一种方法（导致非对称肽1和3）使用pi;-共轭OPV“氨基酸”作为与标准固相肽合成（SPPS）相容的标准alpha;-氨基酸的功能模拟物，其中活化的酸性部分氨基酸N-酰化生长的寡肽的胺末端，同时呈现用于连续酰胺键形成的新的（但受保护的）胺官能团。这种综合方法沿着分子的长度保持肽N对C键的相同意义^[6-10]。第二种方法（导致对称肽2和4）在树脂上的位点二聚化过程中使用pi;-共轭二酸，其通过酰胺化将两个肽胺末端连接到共同的pi;电子核上。使用氨基酸和二酸pi;-系统进行寡肽合成，我们现在可以合成具有不同肽极性呈递的自组装寡肽-pi;OPV混合模型，以探究这种重要的大分子组装变量如何特别影响纳米结构和电子性质^[11]。我们简要讨论用于肽合成的单个氨基酸或二酸酰胺化配偶体的合成。有关肽合成的更多具体细节可以在支持信息中找到。

OPV2氨基酸通过用4-硝基苄基膦酸二乙酯17和4-甲酰基苯甲酸甲酯通过烯化合成（图2a）^[12-15]。用氯化亚锡还原硝基，然后进行酯皂化和胺的保护，得到可直接与SPPS一起使用的OPV2氨基酸。OPV2氨基酸和N-去保护肽树脂之间的酰胺化在正常HBTU活化条件下发生。在树脂结合的OPV2脱保护之后，所得芳基胺的较弱亲核性需要使用更多亲电子偶联剂用于SPPS序列中的下一步。使用三光气和2,6-二甲基吡啶完成下一个氨基酸的偶联，并且可以使用标准活化程序完成所有其余氨基酸的偶联，最终产生不对称的OPV2^[16]。

图1.具有不同N-to-C骨架方向性和不同OPV长度的DFAG肽

图2.合成OPV2氨基酸（a）和二酸（b）分别掺入存在于1和2中的非对称和对称肽骨架。

OPV3pi;-肽共轭亚基的合成揭示了溶解性问题，这最初促进了树脂上二聚化过程的发展。证明OPV3氨基酸难以合成，并且成功的路线来自两步连续Heck偶联到对-二乙烯基苯上（图3a）：第一个用4-碘苯胺，第二个用NHS-活化的4-碘苯甲酸。依次的Heck反应产生可分离的和直接酸激活的OPV3氨基酸，其可以直接偶联到脱保护的Wang树脂的伯胺上，而不需要芳胺保护。先前通过对苯二甲醛与苄基膦酸酯之间的双Horner-Wadsworth-Emmons反应合成对称OPV3二酸，随后皂化甲基酯22（图3b）^[17]。该二酸用于与OPV2二酸类似的树脂上二聚化，导致先前报道的对称OPV3肽（4）。

图3.合成OPV3氨基酸（a）和二酸（b）分别掺入存在于3和4中的不对称和对称肽骨架。

肽聚合模型。被用来理解这些分子聚集的标准模型是它们自组装成延伸的beta;-折叠状结构（图4）。图11-13这幅图是受简化的能量最小化计算的驱动，它可以预测这些有序的一维聚集体成为0 K时最有利的构象。我们最近在有限温度下采用分子动力学模拟的工作表明，熵的考虑对于全面了解这些聚集体的热力学和结构也十分重要，并预测完美的周期性顺序，而仍然（并且重要）保持一维^[18]。虽然我们在这里和其他地方提出的实验和计算结果15绘制了一个更加复杂的装配图片，但图4中提供的beta;折叠样结构为开始理解装配提供了有用的教学理想，并且与观察到的形态结果大致一致，电子响应和分子模拟^[19]。

图4.非对称组件的能量最小化模型

在这项工作中合成的对称（2和4）和非对称（1和3）肽架构提供了理想的理想起点，以理解在理想化的纳米结构内可能的必需氢键模式的形式变化如何影响其光物理性质。我们的简单模型预测，非对称肽1和3将通过组装成反平行的beta;-折叠基元组成的1-D聚集体而最大化有利的能量相互作用，而对称肽2和4的结构将限制它们形成不太有利的平行beta;-折叠。假设这些组装好的带状物聚集成寡肽和类淀粉样物质的典型高阶结构（堆叠原纤维等）这种简单的模型将pi;共轭单元置于足够接近的距离以期望电子相互作用和特异性光谱特征以及我们下面描述的计算和实验研究为这些相互作用的存在提供了强有力的支持。这些分子的设计对称性必然需要平行和反平行配置中的苯丙氨酸空间相互碰撞。我们先前已将这些相互作用表征为肽4（对称OPV3）15，并且还观察到了从组装的肽-联乙炔-肽前体形成的聚二乙炔的形成。这些发现均与各个寡肽（以及反应性pi;-共轭二炔亚基）来鼓励电子相互作用，甚至是从化学意义上讲共价化学。

纳米结构形态。酸性残基有效地使所有四种肽分子溶解并且在碱性pH（约pH10）下不显着相互作用。水溶液的酸化使羧酸盐基团正式质子化并筛选分子间的库仑斥力，从而允许分子间缔合和随后的纳米结构形成。发现OPV3纳米材料结合刚果红，从而揭示它们的致淀粉样性质。采用透射电子显微镜（TEM）观察由肽组装产生的纳米材料。众所周知，肽序列的变异可以在分子组装上产生显着的形态学结果，其结构跨越0-D囊泡和胶束，1-D带，棒和带以及2-D片状组装体。当考虑这些几何不同物体固有的光物理特性时，无论具体的结构变量如何，包装密度，曲率等的局部差异都可能影响光谱结果。因此，重要的是发现由对称和非对称肽组装的纳米材料在其形态上是可比较的：通过TEM测定，所有检查的肽产生具有一致宽度（10-12nm）的1-D纳米结构（图5 ）。鉴于这些肽的分子长度在完全伸展的构象下远低于10 nm，目前的结构反映了已知可在基于肽的自组装材料中操作的固有分层捆绑，但仍然在尺寸和形状方面保持可比。在所有情况下，观察到高纵横比的纳米结构，通常延伸至微米长度。这些纳米结构可以看作是图4所示理想化组件沿着pi;-堆叠轴延伸的实验表现。

图5.由酸性溶液中0.1wt％的相应DFAG肽制备的肽纳米结构的TEM显微照片及其计算的宽度：（a）非对称OPV3（3：9.6plusmn;1.4nm）;（b）非对称OPV2（1：10.4plusmn;1.6nm）; （c）对称的OPV3（4：10.5plusmn;1.3nm）; （d）对称OPV2（2：11.6plusmn;1.8nm）

光物理特性。这些三嵌段分子的组装提供了几种可能的分子间电子结果，其具有不同的光谱可观察性。例如，经由典型的H样聚集体的激子耦合将导致相对于分离的分子在吸收最大值处发生蓝移，猝灭的光致发光，以及鉴于天然肽聚集体预期的手性，诱导的CD信号和双元素棉效果对应到pi;-pi;*转换OPV亚基。在类似的肽-pi;-肽基序中观察到了这些一般趋势。

其他可能性包括可将pi;电子单元置于J型聚集体中的聚集体，其将导致红移吸收最大值并且通常增强光致发光或聚集状态，其中发色团平面性的程度有所改变，否则其不会显示任何明显的分子间电子相互作用。考虑到预计存在于对称和非对称肽框架形成的纳米结构内的氢键网络中的差异，需要对这些电子性质进行仔细的光谱解释。纳米材料形态中的多分散性表明光谱测量值应当作为总体平均值对待所有存在的本地发色团取向，而不是对应于单个定义的取向（例如晶格内）。

OPV2。聚集的二苯乙烯系统典型地显示出两种不同的光谱行为：一种显示宽的无特征红移发射，典型地伴随着吸收光谱的微小变化，而另一种显示出与分离的二苯乙烯分子相比的结构化发射分布和干扰吸收光谱。这两种情况归因于总二苯乙烯的结构性差异，其中第一类对应于似乎具有相邻的s亚基的面对面相互作用的受激准分子发射，第二类对应于具有边缘效应的激子类发射，面对面的互动之间的亚基。

图6.对称OPV2（2：a，c）和非对称OPV2（1：b，d）肽的UV-vis和PL光谱（a，b）和CD光谱（c，d）

非对称和对称的OPV2肽1和2在碱性溶液中显示出典型的吸收和发射分布。两种肽在分子和组装条件下都具有相同的吸收特性，lambda;max值在330 nm附近（图6和表1）。在OPV2组装上缺乏明显的蓝移可归因于这些小发色团的较短预期跃迁偶极子（或pi;-pi;*跃迁的较弱振荡器强度），因此它们没有像激子偶联那样显着更长的发色团。通过发色团本身的不同化学组成（分别为N-酰基甲酰胺和二甲酰胺），两种分子之间的PL差异可以合理化。虽然N-酰基氮可能参与酰胺键共振，但它可以作为发色团单元另一端上接受羧酰胺的电子供体。一旦光谱溶液的pH降低（从而触发组装），吸收曲线没有任何明显变化，但是光致发光主要是自然界中的偶联物，具有在较低能量与较低能量相比较出现的无特征和宽峰相应的单体（lambda;max差值约为64和79 nm，图6a，b）。PL红移表示非对称与对称相比，在分子和组装条件下的肽可以反映更强的“施主-受主”特性，其在激发状态下更好地稳定。值得注意的是，尽管绝对值很低，但在装配OPV2实例时量子产率没有显着降低;实际上，装配后1的PL量子产率显着增加。在两个实例中激发态性质的趋势是可比的：在碱性溶液中记录的对称和非对称OPV2s的单指数光致发光寿命分别为0.31和0.23 ns，而在酸性溶液中分别延伸到0.74和0.99 ns（表格1）。我们观察到，在持续照射下，基本分子溶液和酸性聚集体溶液显示反式

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