超螺旋結(jié)構(gòu)在自然界中廣泛存在，在維持生物體系的穩(wěn)定性、適應(yīng)性及功能性方面發(fā)揮著重要作用。膠原蛋白作為一種關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)蛋白，由三條左手α鏈纏繞形成右手超螺旋，其分級(jí)結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)構(gòu)象適應(yīng)性共同賦予其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)支撐能力，并參與多種生命過程的調(diào)控。在人工系統(tǒng)中構(gòu)建具備類似天然體系的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)可逆手性行為，依然面臨著顯著的挑戰(zhàn)。

近日，鄭州輕工業(yè)大學(xué)劉春森教授、荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)E. W. Meijer教授、李晶晶博士、天津大學(xué)宋健教授等合作，以鳥苷和吡啶-4-硼酸為前驅(qū)體，利用酶催化的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)筑了首例化學(xué)燃料驅(qū)動(dòng)的仿生自調(diào)節(jié)水凝膠（圖1）。該體系能夠在不經(jīng)過溶液相的情況下，實(shí)現(xiàn)自發(fā)的Gel–to–Gel轉(zhuǎn)變，并伴隨超螺旋到單螺旋的手性反轉(zhuǎn)。與傳統(tǒng)的Gel–Sol–Gel體系相比，該系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于具備動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)維持三維網(wǎng)絡(luò)連續(xù)性；具備跨尺度可控性，能夠?qū)崿F(xiàn)從分子手性到超螺旋拓?fù)涞亩嗉?jí)動(dòng)態(tài)調(diào)控；具備仿生適應(yīng)性，能夠模擬膠原蛋白的超螺旋結(jié)構(gòu)與應(yīng)力響應(yīng)行為。目前的發(fā)現(xiàn)為開發(fā)可編程仿生手性軟材料提供了全新思路。該研究以題為“Self-Regulating Hydrogel with Reversible Optical Activity in Its Gel-to-Gel Transformation”的論文發(fā)表在《J. Am. Chem. Soc.》上。李晶晶博士為該論文第一作者。

圖1|膠原蛋白與人工超分子體系中超螺旋與單螺旋結(jié)構(gòu)的手性反轉(zhuǎn)。

【熱凝膠和pH依賴的超分子手性】

首先，采用常規(guī)的加熱-冷卻方法研究了天然鳥苷（D-Guanosine, DG）和吡啶-4-硼酸(4-PyB)混合物在熱力學(xué)平衡條件下的pH依賴凝膠特性和光學(xué)活性（圖2）。研究表明，G和4-PyB在pH 3.0-10.0范圍內(nèi)具有廣泛的成膠能力，并且在酸性、中性和堿性條件下表現(xiàn)出連續(xù)的超分子手性反轉(zhuǎn)效應(yīng)。組裝機(jī)理研究表明（圖3），在堿性條件下，G和4-PyB生成陰離子的硼酸酯化合物[DG-4-PyB]^?，其通過氫鍵和π-π堆積相互作用，形成右手螺旋的G-四鏈體結(jié)構(gòu)。Cryo-TEM顯示凝膠為單纖維結(jié)構(gòu)。在酸性條件下，G和4-PyB生成兩性離子的硼酸酯化合物[DG-4-PyB]^±。其自組裝形成右手螺旋的G-四鏈體結(jié)構(gòu)。而中性條件下，[DG-4-PyB]^±和[DG-4-PyB]^?共組裝，形成左手超螺旋的纖維束結(jié)構(gòu)。

圖2|熱引發(fā)的自組裝和pH依賴的光學(xué)活性

圖3| pH依賴的組裝機(jī)理

【自調(diào)節(jié)的Gel-to-Gel的轉(zhuǎn)變和超分子手性反轉(zhuǎn)】

基于課題組前期所開發(fā)的硼酸酯基的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202114471; Nat.Commun. 2023, 14, 5030），本研究使用脲酶和酯酶為化學(xué)燃料，構(gòu)筑了一個(gè)pH-反饋體系，并詳細(xì)研究了其在pH升高-降低的連續(xù)變化過程中的凝膠情況和超分子手性變化情況（圖4）。結(jié)果表明，該體系可經(jīng)歷四種不同的凝膠狀態(tài)和三種手性光學(xué)狀態(tài)（M-超螺旋、P-單螺旋及宏觀無手性態(tài)）之間的可逆轉(zhuǎn)變。凝膠在宏觀上經(jīng)歷從不透明凝膠→透明凝膠→半透明凝膠→全透明凝膠”的演變，其機(jī)械性能隨pH變化和凝膠狀態(tài)變化發(fā)生自適應(yīng)調(diào)節(jié)。該體系區(qū)別于傳統(tǒng)的Gel–Sol–Gel模式，最大的創(chuàng)新在于無需經(jīng)歷溶膠態(tài)即可實(shí)現(xiàn)直接的Gel-to-Gel轉(zhuǎn)變，同時(shí)伴隨超分子手性從超螺旋向單螺旋結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)可逆切換，展現(xiàn)出優(yōu)異的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)調(diào)控能力。這一策略為構(gòu)建具有動(dòng)態(tài)調(diào)控能力和可編程手性光學(xué)性能的自調(diào)節(jié)軟材料提供了全新思路。

圖4|自調(diào)節(jié)的Gel-to-Gel的轉(zhuǎn)變和超分子手性反轉(zhuǎn)

【小結(jié)】

該研究構(gòu)建了一種新型超分子凝膠體系，首次實(shí)現(xiàn)了在不經(jīng)過溶液相的情況下完成凝膠-凝膠（Gel-to-Gel）直接轉(zhuǎn)變，并伴隨超螺旋與單螺旋結(jié)構(gòu)間的光學(xué)手性可逆切換。該體系以中性條件下呈sp3雜化結(jié)構(gòu)的4-吡啶硼酸與鳥苷為構(gòu)筑單元，結(jié)合酶催化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)體系pH的自主動(dòng)態(tài)調(diào)控。在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中，凝膠保持三維網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性，展現(xiàn)出優(yōu)異的宏觀穩(wěn)定性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)手性、形貌及力學(xué)性能的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。該體系集成了分級(jí)自組裝、動(dòng)態(tài)手性反轉(zhuǎn)與自調(diào)節(jié)機(jī)制，為可編程仿生手性軟材料的設(shè)計(jì)提供了全新策略。