一种新型多肽仿生材料的自组装结构研究

一种新型多肽仿生材料的自组装结构研究
周庆翰;罗建斌;林娟;廖戎;万静;马晨
【摘要】利用天然蛋白质氨基酸序列设计生物仿生材料是近年来兴起的一个热门研究领域.本文中将蚕丝蛋白特征氨基酸序列( Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser)部分引入离子互补型多肽RADA16-I:(Arg-Ala-Asp-Ala)4中,设计了新型多肽
RAGA16:Arg-Ala-Asp-Ala -Gly-Ala-Gly-Ala-Arg-Ala-Asp-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser.采用原子力显微镜(AFM)等技术对多肽的自组装结构进行了研究,发现新型多肽自组装形成数微米长的纤维结构,通过分析得知多肽二级结构中Silk I结构成分比例增加是导致其纳米结构的变化主要原因.因此推测蚕丝蛋白特征序列对改变材料纳米结构有明显作用.
【期刊名称】《西南民族大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2011(037)004
【总页数】3页(P632-634)
【关键词】蚕丝蛋白;自组装多肽;纳米结构
【作者】周庆翰;罗建斌;林娟;廖戎;万静;马晨
【作者单位】西南民族大学化学与环境保护工程学院,四川成都610041;西南民族大学化学与环境保护工程学院,四川成都610041;成都医学院生物医学系,四川成都610083;西南民族大学化学与环境保护工程学院,四川成都610041;西南民族大学化学与环境保护工程学院,四川成都610041;西南民族大学化学与环境保护工程学院,四川成都610041
【正文语种】中文
【中图分类】R318.08
分子自组装现象广泛存在于自然界中, 但应用自组装技术制备纳米级材料却只有十几年的历史. 在众多的分子自组装体系中, 含天然氨基酸的多肽分子由于具有序列
设计灵活、化学合成方便、生物相容性好等优点, 近年来发展迅速, 在组织工程、
药物缓释及生物材料等领域有着巨大的应用潜力[1-2]. 1993年张曙光等[3]从酵母蛋白中发现了一组可自组装的离子互补型多肽, 开拓了一个分子自组装技术的新领域；Ghadiri等[4]利用自组装技术合成了以多肽之间的β-折叠结构为基础的纳米
管结构；Aggeli等[5]发现多肽分子之间的β-折叠结构使多肽自组装成规整的纳米纤维；Stupp等[6]设计了一种双亲缩氨酸分子, 能够形成类似细胞外基质的纳米结构纤维支架.近几年来, 通过改变多肽的氨基酸序列, 已设计出了众多具有特殊功能
的纳米自组装材料应用于不同的科研领域[7-9].
然而由于多肽分子结构的特点, 如何设计具有特殊结构的纳米材料一直是科学们所关注热点[10]. 生物仿生材料的诞生, 为我们提供了一条可行之路[11]. 蚕丝是一种
天然高分子材料, 因其丝纤维具有突出的力学性能及生物相容性能, 该类材料被广
泛应用于组织工程支架材料、药物缓控释材料等领域, 是当今仿生材料研究的一个热点[12]. 本研究设计了一种新型多肽 RAGA16, 对其自组装结构进行了表征, 发现蚕丝蛋白特征序列的引入改变了传统多肽的分子自组装结构, 实验表明此类方法对于设计特殊结构的纳米材料具有巨大研究潜力.
本实验所研究多肽材料序列分别为：Ac-GAGAGS-NH2, Ac-（RADA）4-NH2, Ac-RADAGAGARADAGAGS-NH2均购买自上海波泰生物科技有限公司, 样品为
冻干粉, 纯度大于95%, N末端和C末端分别被乙酰基和氨基保护. 丙酮、丙三醇、四氢呋喃、DMF等试剂购自国药集团化学试剂有限公司；去离子水使用Milli-Q
纯水仪制备. 本实验所使用原子力显微镜为SPA400 SPM Unit（Seiko Instruments Inc., Japan）.
AFM观察：1L多肽溶液滴于洁净云母片上, 用少量去离子水冲洗；干燥后, 室温下扫描, 采用敲击模式. 扫描器范围20 m, 硅针(Olympus) 半径为10 nm, 悬臂长
200 m, 弹性系数12 N/m.
六肽GAGAGS、离子互补型多肽RADA16-I以及蚕丝蛋白改性多肽RAGA16利
用AFM扫描的结果如图1右侧（d, e, f）所示. RADA16-I由极性氨基酸（精氨酸和天冬氨酸）与非极性氨基酸（丙氨酸）交替排列, 分子之间以“肩并肩”的方式形成拥有一面亲水, 一面疏水的两个表面的条带结构[13]. 从AFM扫描图（图1d）中可以观察到, RADA16-I自组装形成长度约为1 mm的纳米纤维结构, 这是由于
不同条带之间的疏水面通过疏水作用粘贴到一起从而形成了稳定的纳米纤维. GAGAGS多肽自组装结构为离散的絮状或球状结构. 在原有RADA16-I序列中第
二与第四RADA序列重复位置, 分别用GAGA、GAGS进行替换, 设计出的
RAGA16多肽,仍具有自组装的特性, 且自组装后形成长度为3 mm左右的纳米纤维.
从AFM扫描图像中发现不同序列的多肽其自组装结构各不相同, 在尺度上有较大
区别. 使用AFM系统自带的表面形貌分析系统（Surface Analysis）对RADA16-I 以及RAGA16多肽的纳米尺度进行分析, 发现RADA16-I的平均长度、平均纤维
直径以及平均厚度分别为1.1 mm、17.5 nm、1.4 nm；而多肽RAGA16自组装
结构明显增大, 其平均长度、平均纤维直径以及平均厚度分别为3.3 mm、87.4 nm、6.2 nm, 结构见图2. 这可能是由于RAGA16多肽中, 大量非极性氨基酸的引入使多肽分子之间疏水作用增加, 即蚕丝蛋白氨基酸的引入使多肽二级结构中Silk I结构成分增加, 而使得分子片层结合能力增强, 从而形成尺度较大的纤维[14]. 同时发现, 以上两种多肽的纳米纤维之间交错搭接, 形成了致密的三维网络结构, 与凝胶
的结构类似.
设计了一种新型蚕丝蛋白多肽仿生材料 RAGA16. 其纳米结构较传统多肽RADA16-I结构增大. 多肽的二级结构中蚕丝蛋白的silk I结构比例增加, 可能是导致其纳米纤维聚集结构增大的重要原因. 实验表明, 天然生物材料的性能特点与其分子结构密切相关, 利用天然生物蛋白可对一些已知、并广泛使用的传统材料进行改性,从而开发出具有特殊性能、结构新颖的新型仿生材料是一种前景光明的科学研究可行之路.
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