钱虎军教授、赵环宇副教授最新CCS Chemistry研究文章：向蛋白质学习，PNIPAM高分子单链纳米粒子实现水相制备、折叠可控-吉林大学理论化学研究所

钱虎军教授、赵环宇副教授最新CCS Chemistry研究文章：向蛋白质学习，PNIPAM高分子单链纳米粒子实现水相制备、折叠可控

发布日期：2020-12-31

蛋白质，作为重要的生命物质其独特的分子内的多层次、精确的折叠结构和丰富的功能一直受到生命科学、化学和物理学家们的关注。受其启发，高分子化学家们通过单分子纳米技术，将单链高分子进行链内折叠制备了一类新型纳米物体--单链纳米粒子（single-chain nanoparticle, SCNP）。SCNP一般具有10 nm以下的粒子尺寸，同时保留了高分子前驱体链所特有的柔性可形变及刺激响应能力。单链纳米粒子可作为研究蛋白质折叠的理想模型，对加深对蛋白质、DNA等生命关键物质的多级折叠结构与性能间关系的理解具有重要意义。

图表 1 用官能团修饰聚合物前驱体链，当在稀溶液中触发官能团反应时，将促进链内折叠过程的发生。此图来自 Frank P, et al., Appl. Petrochem. Res., 2015, 5, 9–17.

SCNP通常是利用前驱体高分子的分子内交联反应获得。为了保证交联反应发生在分子链内部，其制备一般在在极稀溶液的条件下实现。而高分子链在良溶剂中通常符合自规避行走模型，在这种条件下链内交链反应往往在链的局部发生，制备的SCNP缺乏对内部折叠结构的有效控制。合成的大部分SCNP具有局部交联而整体开放、松散的结构。如何获得具有类蛋白结构的紧实的SCNP，并且进一步实现对SCNP分子内折叠程度的连续的系统控制是该领域内需要解决的重要科学问题。

图表 2 前驱体链及对比样品PNIPAM, PEG-PNIPAM, ABP-PNIPAM 和 PNAE的合成。

图表 3 (a) 在1 mg/mL的水溶液中，利用DLS测得的PNIPAM、PNAE-5.3、PNAE-10.5和PNAE-12.8的Rh的温度依赖性;(b) 利用1H DOSY NMR 测得的PNAE-12.8的扩散系数，并结合Stokes–Einstein 方程计算获得的不同温度下的Rh； (c, d) 在298k时，PNAE-12.8分别在氘代氯仿 (c) 和重水(d)中的1H NMR (500mhz) 谱图(顶部)和1H NOE谱图(中部和底部)。左上角的分子结构中的字母标示了该谱图中的信号所对应的质子。

作者之前的相关模拟工作结果显示[1]，将高分子前驱体链在交联前进行预塌缩可用于制备具有密折叠的球形类蛋白SCNP结构，同时也有助于解决SCNP的可控折叠问题。早期研究表明聚PNIPAM在极稀水溶液中随着温度的升高会发生基于氢键断裂的亲疏水性的改变，发生单分子尺度的coil-globule转变。这种基于温度的构象转变可以作为控制高分子单链折叠结构的有力工具。作者在实验中设计了含疏水性光交链基团二苯甲酮和亲水性的寡聚乙二醇的三元无规共聚PNIPAM前驱体链，并研究了系列前驱体链随温度变化的行为。基于1H核磁的NOE谱构象分析表明，对比良溶剂氘代氯仿中的无耦合，而在氘代水中的前驱体链主链中的氢发生明显的靠近，说明在水溶液中前驱体链发生了塌缩。在水溶液的变温实验中，随着温度的升高，前驱体链的水和动力学半径变小直至32℃后保持恒定。这些结果说明，合成的前驱体链在水中发生了预折叠，且其折叠程度可以用温度进行调控。在以水为溶剂在不同反应温度下光引发交联制备不同SCNP并进行表征后发现，不同温度下合成的SCNP水和动力学半径与前驱体链表现出相同的变化趋势。可以推测，随着温度的升高，前驱体链发生程度越来越大的单分子塌缩，而超过32℃后其分子塌缩到紧实状态不再发生进一步折叠。分子动力学模拟也重现了实验中的结果，而通过对前驱体和相应SCNPs的流体动力半径Rh和分子量分布进行理论标度分析的结果表明，在高于PNIPAM临界转变温度下合成的SCNPs确实具有完全折叠的球状结构。此外，合成的SCNP保留了前驱体链的温敏特性，随着温度的变化SCNP的尺寸的发生明显的热缩冷涨行为。

图表 4 （a）PNAE-10.5与在不同温度下合成的单链纳米粒子的SEC曲线。（b）PNAE-12.8与在不同温度下合成的单链纳米粒子小球的SEC曲线。(c)不同温度下获得的SCNP-10.5和SCNP-12.8纳米粒子的重均分子量。（d）288K下获得的SCNP-12.8纳米粒子的TEM图像，纳米粒子经OsO4染色，溶液浓度在1mg/ml。

图表 5 单链纳米粒子的合成路线及其在水溶液中的温敏行为示意图。

F图表 5 （a） PNAE-12.8与SCNP-12.8@288K的温度依赖性：在不同温度下利用1H DOSY NMR光谱法测试获得扩散系数并结合Stokes–Einstein方程计算获得的Rh数据。(b) 分子动力学模拟：紫色方块和蓝色圆圈分别代表纯PNIPAM和PNAE前驱体在不同温度下由舒展状态到坍缩状态的变化。绿色三角曲线代表不同温度下链内交联反应的SCNP的Rg的变化。橙色菱形代表在320K反应的SCNP在降温时Rg大小的变化。并行虚线是SCNP@320K的理论溶胀最大值。

综上所述，该研究工作提供了一种简单易行的控制单链纳米粒子内部结构的新策略，该论文第一作者是吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室的张合同学。本研究得到国家自然科学基金委及吉林大学创新团队项目的支持。