南佛罗里达大学团队JACS封面文章：新型可3D自组装的人工蛋白质zipper三级结构

金属配位或电荷作用驱动的超分子自组装具有合成简单和结构可控的优点，由此得到研究者的广泛关注，目前已用于催化、气体吸附、光敏器件等前沿领域。近年来，多孔氢键超分子结构引起研究者极大的兴趣，多孔氢键超分子结构可以简单地合成并通过X射线单晶衍射分析来表征其结构。同时，这类结构不需要苛刻的再生过程、热稳定性好，且具有形成多孔结晶功能材料的巨大潜力。然而，目前报道的绝大多数氢键超分子骨架单元仅限于小有机配体。近日，南佛罗里达大学的蔡健峰教授（点击查看介绍）团队和马胜前（点击查看介绍）团队在新型多孔氢键超分子结构的开发上取得突破，他们报道了一种具有螺旋结构的非天然多肽二聚体（人工zipper蛋白质结构），通过高分辨X射线单晶衍射的方法确定了其三级结构，并证明其能够自组装成多孔材料。这类多肽的多孔结构具有一定的气体吸附性质。相关研究结果近期发表在J. Am. Chem. Soc. 上并被选为封面文章，文章的并列第一作者是南佛罗里达大学的博士后滕鹏和牛政。

图1. α-peptides、1:1 α/L-sulfono-γ-AA peptide及从二级结构到zipper三级结构的示意图

蔡健峰教授课题组主要致力于非天然氨基酸AApeptide合成的类多肽结构。该研究团队已经证明基于AApeptide的化合物具有潜在的生物材料和医药方面的应用。作者首次通过X射线单晶衍射证实了1:1 α/L-sulfono-γ-AA peptide多肽类聚合物的二级螺旋结构，并找到合适的连接点，进而得到一种新的具有zipper三级结构的二聚体（图1），作者还通过X射线单晶衍射以及理论计算对该二聚体分子层面的结构进行了深入研究。这种二聚体形成新型zipper三级结构的策略对以后开发人工蛋白结构具有很好的启发作用。

图2. 从单体二级结构到二聚体zipper三级结构以及自组装的概念图

X射线单晶衍射结构结果表明，该1:1 α/L-sulfono-γ-AA peptide多聚体可以形成右手螺旋的4₁₃-helix（13-H的氢键结构），螺旋结构的半径为3.05 Å，相邻螺旋顶点距离为5.34 Å。侧链规则的排列在多肽链轴的外侧。二聚体Zipper具有与单体螺旋体一样的氢键结构，通过共价键连接两个角度为80°的单体，且存在首尾相连（N端与C端存在氢键作用）的氢键作用，该Zipper形成稳定的二维网状结构，对角线的距离为33.4 Å。相邻两层网通过疏水作用以及C‒Cl∙∙∙Cl‒C卤键（Cl∙∙∙Cl距离为3.2 Å，且通过DFT计算证明该卤键作用真实存在）作用组装，进而得到三维的网状结构（图2及图3a）。

作者随后测量了单体和二聚体的多孔性质以及气体吸附性质，单体的多肽多聚体基本没有孔状结构可以吸附氮气或者二氧化碳气体，相比之下，二聚体的BET表面积为234 m²/g，一个大气压和273 K下可以吸附二氧化碳的气体量为32 cm³/g。该结果表明，这种策略可以明显提高晶体材料的稳定性，具有明显的气体吸附性质。该发现可以为人工合成多肽三级结构自组装形成更高稳定性和新颖功能的超分子材料提供新的思路。

图3. Zipper自组装形成的多空结构以及气体吸附结果

该论文作者为：Peng Teng, Zheng Niu, Fengyu She, Mi Zhou, Peng Sang, Geoffrey M. Gray, Gaurav Verma, Lukasz Wojtas, Arjan van der Vaart, Shengqian Ma and Jianfeng Cai

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Hydrogen-Bonding-Driven 3D Supramolecular Assembly of Peptidomimetic Zipper

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 5661, DOI: 10.1021/jacs.7b11997

蔡健峰教授课题组简介

蔡健峰，美国南佛罗里达大学正教授，2006年于Washington University in St. Louis获得博士学位，2007至2009年在耶鲁大学Andrew D. Hamilton（现任New York University校长）课题组从事博士后研究；2009年起就职于南佛罗里达大学，于2015年获得终身教授名誉，同年晋升为副教授，2018年晋升为正教授。

该课题组一直致力于研究新型非天然多肽骨架AApeptide，研究工作主要集中于基于AApeptide的新型生物材料、人工蛋白质模拟结构（生物多聚体模拟结构）、活性药物分子和生物探针的研究，同时致力于新型蛋白结构的活性区域模拟以便得到独特的催化功能；独立工作7年以来在J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、J. Med. Chem.、Chem. Sci.、Chem. Commun.等杂志上发表了90篇文章，申请了12项专利，参与撰写5本专业书籍，目前的研究受到NSF、NIH等多项研究的资助。他获得的主要奖项包括2011年Ralph E. Powe青年教授成就奖、2014年化学通讯科研新星奖、2014年美国科学基金会NSF CAREER Award、2015年中美化学教授协会Biomatik杰出青年奖以及2015年南佛罗里达大学杰出研究成就奖。

http://www.x-mol.com/university/faculty/47852

马胜前教授课题组简介

马胜前，美国南佛罗里达大学正教授，于2003年在吉林大学化学系取得学士学位，本科毕业后前往美国俄亥俄州迈阿密大学师从周宏才教授，从事功能金属有机框架（MOF）材料的设计、合成以及在气体储存与分离领域中应用的研究，并在2008年取得博士学位。2008年至2010年，他获得美国能源部阿贡国家实验室Director's Postdoctoral Fellowship，在化学与化工部从事燃料电池新型氧还原电化学催化剂的开发研究；2010年8月作为助理教授在南佛罗里达大学化学系建立并独立领导课题组从事先进多孔材料的研究，于2015年提前被授予终身教授，2018年晋升为正教授；迄今在学术期刊上发表文章150余篇（其中包括1篇Nature、多篇Nature Communications、16篇Journal of the American Chemical Society、9篇Angewandte Chemie International Edition）；所发的论文他引超过8000次，h因子为61（Web of Science数据），并入选2014、2015、2016、2017年美国汤森路透集团全球高被引用科学家（化学方向）名单（Highly Cited Researcher）。他获得的主要奖项包括2007年中国国家优秀自费留学生奖学金奖、2008年美国化学会无机化学分会青年化学家奖、2008年美国能源部阿贡国家实验室Director's Postdoctoral Fellowship、2009年国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）青年化学家奖、2014年美国科学基金会 CAREER Award和2015年南佛罗里达大学杰出研究成就奖、2018年南佛罗里达大学杰出教授奖。

http://www.x-mol.com/university/faculty/38296