中國(guó)科學(xué)家成功創(chuàng)制新型超薄二維肽晶體

自1975年首次提出作為生物膜合成類(lèi)似物的概念以來(lái)，高度有序的二維肽結(jié)構(gòu)因其能夠通過(guò)原子級(jí)薄層架構(gòu)模擬生物分子的對(duì)映選擇性識(shí)別而備受關(guān)注。然而，由于長(zhǎng)程有序的層內(nèi)氫鍵網(wǎng)絡(luò)難以建立和維持，構(gòu)建超薄單晶二維肽材料始終面臨巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的肽自組裝體系多局限于各向同性的納米球、一維納米纖維和納米管或三維超分子網(wǎng)絡(luò)和多孔框架。盡管這些非共價(jià)組裝結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性，但在藥物遞送、組織工程和生物傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用中，原子級(jí)分辨率的實(shí)現(xiàn)仍存在障礙。大多數(shù)二維肽組裝體缺乏單結(jié)晶度、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械魯棒性，原因在于建立有序?qū)觾?nèi)氫鍵網(wǎng)絡(luò)面臨挑戰(zhàn)。

近日，上海交通大學(xué)崔勇教授、董金橋副教授和上?？萍即髮W(xué)曹克誠(chéng)研究員、安徽工業(yè)大學(xué)袁國(guó)贊教授合作開(kāi)發(fā)出一種金屬介導(dǎo)的β-折疊樣組裝策略，成功獲得了具有平行（圖1c）和反平行（圖1d）β-折疊組織結(jié)構(gòu)的二維肽晶體，并可對(duì)序列、手性和側(cè)鏈化學(xué)進(jìn)行可編程控制。研究表明，反平行排列促進(jìn)了層內(nèi)機(jī)械互鎖，從而增強(qiáng)了二維晶格的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)多種金屬-肽結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)分析，研究團(tuán)隊(duì)揭示了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)決定因素，并闡明了二維互鎖組裝的機(jī)制。這些層狀晶體可以剝離成獨(dú)立存在的、單晶超薄納米片，能夠立體選擇性地結(jié)合糖皮質(zhì)激素和手性藥物分子，對(duì)映選擇性因子高達(dá)20.9。這一工作為創(chuàng)建結(jié)構(gòu)多樣、表面可調(diào)、功能可編程的二維晶體材料建立了通用策略。相關(guān)論文以“Free-standing ultrathin two-dimensional peptide crystals”為題，發(fā)表在Nature Chemistry上。

圖1 | 金屬介導(dǎo)的β-折疊樣組裝用于構(gòu)建單晶二維肽材料。 a，傳統(tǒng)肽組裝體典型形態(tài)的示意圖，包括納米球、納米纖維和水凝膠網(wǎng)絡(luò)。b，大多數(shù)二維肽組裝體缺乏單結(jié)晶度、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械魯棒性，原因在于建立有序?qū)觾?nèi)氫鍵網(wǎng)絡(luò)面臨挑戰(zhàn)。c,d，金屬介導(dǎo)的β-折疊樣組裝策略通過(guò)層內(nèi)平行鏈排列(c)或?qū)觾?nèi)反平行鏈排列(d)促進(jìn)單晶二維肽組裝體的形成。

研究人員首先設(shè)計(jì)了能夠穩(wěn)定β-折疊組裝同時(shí)抑制α-螺旋折疊的肽配體。選擇丙氨酸-丙氨酸二肽序列是因?yàn)槠鋬?nèi)在傾向于β-折疊構(gòu)象，丙氨酸的小側(cè)鏈有利于擴(kuò)展的線性排列。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)C末端進(jìn)行羧基功能化，對(duì)N末端則用苯甲酸基團(tuán)進(jìn)行修飾。通過(guò)溶劑熱反應(yīng)，這些配體與Zn(NO?)?在乙腈/水混合溶劑體系中反應(yīng)，成功獲得了塊狀或針狀無(wú)色晶體。單晶X射線衍射分析揭示了這些結(jié)構(gòu)的精妙之處。以Zn(Ba-LALA)-1為例，其結(jié)晶于手性空間群P2?，每個(gè)Zn2?采取四面體幾何構(gòu)型，與三個(gè)肽配體和一個(gè)水分子配位。配體采用擴(kuò)展構(gòu)象，通過(guò)密集的氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成平行β-折疊樣排列（圖2a）。通過(guò)對(duì)C末端丙氨酸進(jìn)行替換（如苯丙氨酸、甘氨酸或β-丙氨酸），獲得了Zn(Ba-LALF)-2、Zn(Ba-LAG)-3和Zn(Ba-LAβLA)-4，這些結(jié)構(gòu)在構(gòu)型上與Zn(Ba-LALA)-1類(lèi)似（圖2b-d）。將β-丙氨酸序列進(jìn)行修飾得到的Zn(Ba-βLALA)-5也呈現(xiàn)類(lèi)似架構(gòu)（圖2e）。將肽鏈長(zhǎng)度延伸至三肽得到了具有平行β-折疊樣組織的層狀晶體，包括Zn(Ba-GLALA)-6和Zn(Ba-βLALALA)-7（圖2f,g）。值得注意的是，這一組裝策略甚至能使高度靈活的四肽，如Zn(Ba-LAGLALA)-8和Zn(Ba-βGGLALA)-9，克服其內(nèi)在折疊傾向，采用有序的二維結(jié)構(gòu)（圖2h,i）。這些組裝體保留了與Zn(Ba-LALA)-1相同的配位模式，形成平行β-折疊樣層，厚度僅有微小變化（8-13 ?）。這些單晶結(jié)構(gòu)共同凸顯了該組裝策略在不同側(cè)鏈、序列和肽長(zhǎng)度上的廣泛適用性（圖2j）。

圖2 | 具有平行β-折疊樣排列的二維肽晶體。 a–i，Zn(Ba-LALA)-1 (a)、Zn(Ba-LALF)-2 (b)、Zn(Ba-LAG)-3 (c)、Zn(Ba-LAβLA)-4 (d)、Zn(Ba-βLALA)-5 (e)、Zn(Ba-GLALA)-6 (f)、Zn(Ba-βLALALA)-7 (g)、Zn(Ba-LAGLALA)-8 (h)和Zn(Ba-βGGLALA)-9 (i)的X射線晶體結(jié)構(gòu)。所有結(jié)構(gòu)均采用同構(gòu)二維層狀架構(gòu)，肽配體呈擴(kuò)展、未折疊構(gòu)象，組裝成由密集氫鍵網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的平行β-折疊樣排列。j，該組裝策略通過(guò)調(diào)控肽序列和主鏈長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)平行β-折疊樣堆積的控制。

有趣的是，當(dāng)將N末端的苯甲酸替換為吡啶時(shí)，得到的二維肽晶體呈現(xiàn)出反平行β-折疊樣排列，并形成了機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)。以Zn(Py-LALA)-10為例，其結(jié)晶于手性單斜空間群C2。每個(gè)Zn2?中心與四個(gè)Py-LALA配體配位，形成二維網(wǎng)格狀層。金屬導(dǎo)向組裝產(chǎn)生了一個(gè)具有菱形空腔（約10 ?）的二維晶格，呈螺旋P型基序排列。值得注意的是，在特定交叉點(diǎn)形成的反平行β-折疊樣氫鍵（約2.1 ?）誘導(dǎo)了層內(nèi)機(jī)械互鎖，產(chǎn)生了高度有序且機(jī)械性能穩(wěn)健的二維結(jié)構(gòu)（圖3a）。詳細(xì)的晶體學(xué)分析表明，這種互鎖的二維網(wǎng)絡(luò)由于不對(duì)稱(chēng)肽鏈的周期性纏結(jié)而呈現(xiàn)出P型拓?fù)涫中浴Ｆ鋵?duì)映體Zn(Py-DADA)-10則展現(xiàn)出鏡像的M型拓?fù)涫中裕▓D3b），代表了與常規(guī)體系不同的一類(lèi)手性二維材料。所得單分子層（約1.3 nm厚）通過(guò)重疊排列堆疊成層狀框架，由層間氫鍵穩(wěn)定。此外，三肽配體Py-GLALA與Zn2?的組裝得到Zn(Py-GLALA)-11，這是一個(gè)類(lèi)似的互鎖二維網(wǎng)絡(luò)（圖3c）。與Zn(Py-LALA)-10相比，Zn(Py-GLALA)-11在Zn-Zn距離和扭轉(zhuǎn)角上顯示出細(xì)微差異，同時(shí)保持了拓?fù)涫中?，其?duì)映體Zn(Py-GDADA)-11也是如此（圖3d）。除了主鏈延伸，該策略還能實(shí)現(xiàn)側(cè)鏈調(diào)控。將N末端的L-Ala替換為L(zhǎng)-Abu得到Zn(Py-LULA)-12（圖3e），而反向序列得到Zn(Py-LALU)-13（圖3f），兩者均保持可比較的二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。值得注意的是，互鎖框架能夠耐受極性側(cè)鏈：將N末端的L-Ala替換為L(zhǎng)-Gln得到同構(gòu)的Zn(Py-LQLA)-14（圖3g）。L-Gln采用折疊構(gòu)象，形成層間氫鍵以緩解空間排斥并實(shí)現(xiàn)二維互鎖。該策略因此通過(guò)反平行β-折疊堆積在互鎖的二維肽結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)序列、側(cè)鏈極性和主鏈長(zhǎng)度的控制（圖3h）。

圖3 | 二維肽晶體中的機(jī)械互鎖架構(gòu)。 a–d，Zn(Py-LALA)-10 (a)、Zn(Py-DADA)-10 (b)、Zn(Py-GLALA)-11 (c)和Zn(Py-GDADA)-11 (d)的機(jī)械互鎖單分子層的X射線晶體結(jié)構(gòu)和構(gòu)象分析。e–g，Zn(Py-LULA)-12 (e)、Zn(Py-LALU)-13 (f)和Zn(Py-LQLA)-14 (g)的機(jī)械互鎖單分子層的單晶結(jié)構(gòu)。h，該策略實(shí)現(xiàn)了在機(jī)械互鎖的二維肽結(jié)構(gòu)中對(duì)肽序列、側(cè)鏈極性和主鏈長(zhǎng)度的控制。

研究人員進(jìn)一步探究了側(cè)鏈空間位阻、極性、氨基酸手性以及金屬配位幾何對(duì)二維互鎖組裝的影響。隨著空間位阻的增加，單晶X射線衍射分析揭示了一個(gè)從互鎖二維結(jié)構(gòu)到不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，包括一維配位鏈Zn(Py-LALV)-15、二維非互鎖網(wǎng)絡(luò)Zn(Py-LFLA)-16以及三維框架Zn(Py-LALF)-17和Cd(Py-LMLA)-18（圖4a）。這些結(jié)果凸顯了序列變化和空間位阻在破壞吡啶配位、肽構(gòu)象和氫鍵網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵影響。為考察側(cè)鏈極性對(duì)二維機(jī)械互鎖的影響，研究人員設(shè)計(jì)了帶有極性側(cè)鏈的配體。獲得了五個(gè)明確的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了分析（圖4a）：含L-His的配體形成一維配位鏈Cd(Py-LHLA)-19，其中咪唑側(cè)鏈未參與金屬配位；含L-Asp的配體產(chǎn)生三維框架Zn(Py-LDLA)-20，通過(guò)羧酸側(cè)鏈配位；含Cys的配體也產(chǎn)生三維框架Zn(Py-LCLA)-21，其中二硫鍵的形成對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有所貢獻(xiàn)；含Thr和Ser的配體分別產(chǎn)生二維框架Zn(Py-LTLA)-22和二維非互鎖網(wǎng)絡(luò)Cd(Py-GLALS)-23，羥基側(cè)鏈參與氫鍵形成。這些結(jié)果表明極性殘基可以顯著改變配位模式并破壞機(jī)械互鎖的二維肽網(wǎng)絡(luò)的形成。接下來(lái)，研究人員考察了氨基酸手性在二維互鎖組裝中的作用。外消旋配體如Py-DLA和Py-LD與Zn2?配位形成二維肽網(wǎng)絡(luò)Zn(Py-GLA)-24和Zn(Py-LAG)-25，兩者均缺乏面內(nèi)機(jī)械互鎖。異手性配體產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)：Zn(Py-DALA)-26形成三維多孔框架，而Zn(Py-GDALA)-27給出二維非互鎖網(wǎng)絡(luò)，兩者均與其同手性對(duì)應(yīng)物觀察到的互鎖二維結(jié)構(gòu)形成對(duì)比。研究人員進(jìn)一步研究了金屬配位的影響。Py-LALA或Py-GLALA配體與Cd2?的組裝產(chǎn)生三維多孔框架Cd(Py-LALA)-28或二維非互鎖網(wǎng)絡(luò)Cd(Py-GLALA)-29，不同于與Zn2?形成的互鎖結(jié)構(gòu)。這種差異源于它們不同的配位偏好：Zn2?通常采用四面體幾何，而Cd2?則傾向于八面體配位。這些發(fā)現(xiàn)揭示了氨基酸手性和金屬配位共同決定了層內(nèi)互鎖的形成。為闡明層內(nèi)互鎖的機(jī)制，研究人員分析了金屬配位幾何。在互鎖的二維結(jié)構(gòu)中，吡啶基團(tuán)在相鄰位置配位，而在非互鎖網(wǎng)絡(luò)中它們?cè)谙喾次恢门湮弧Ｍㄟ^(guò)降低溫度或濃度，研究人員捕獲了互鎖前多晶型物PI-Zn(Py-LALA)-30和P-Zn(Py-LALA)-31（圖4b,c）。兩種結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)一維配位鏈，其中Zn2?中心與兩個(gè)水分子配位，約一半的羧酸基團(tuán)未配位。這些觀察結(jié)果，結(jié)合對(duì)照實(shí)驗(yàn)，表明水分子在互鎖二維晶格的形成中起著關(guān)鍵模板作用。研究人員提出亞穩(wěn)態(tài)Zn-肽鏈作為層內(nèi)互鎖的前體，配位水分子逐漸被相鄰鏈的羧酸配體取代（圖4b）。這一機(jī)制得到了PI-Zn(Py-LALA)-30熱轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)上有利的Zn(Py-LALA)-10的實(shí)驗(yàn)支持。

圖4 | 機(jī)械互鎖二維肽網(wǎng)絡(luò)的形成機(jī)制。 a，改變側(cè)鏈空間位阻、極性和金屬離子對(duì)二維機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)的影響。b，水分子介導(dǎo)的從一維鏈到二維互鎖結(jié)構(gòu)的拓?fù)滢D(zhuǎn)變示意圖。

鑒于這些層狀肽晶體的出色穩(wěn)定性和機(jī)械性能，研究人員嘗試將其剝離成單晶超薄二維納米片（圖5a）。原子力顯微鏡納米壓痕測(cè)試顯示，Zn(Py-LALA)-10和Zn(Py-GLALA)-11的楊氏模量分別為25.3 GPa和32.4 GPa，超過(guò)了Zn(Ba-LALA)-1的19.7 GPa。場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡揭示了明確的層狀形貌（圖5b-e）。液體超聲剝離在乙腈中最有效，得到的納米片厚度均勻（2-6 nm），橫向尺寸達(dá)1-5 μm，相當(dāng)于約2-4層（圖5f,g）。原子力顯微鏡和動(dòng)態(tài)光散射進(jìn)一步證實(shí)了剝離納米片的微米級(jí)橫向尺寸和高縱橫比。掠入射廣角X射線散射顯示反射與它們的單晶結(jié)構(gòu)一致。Zn(Py-LALA)-10納米片在12.3 ?和10.6 ?處顯示(001)和(-201)反射，而Zn(Py-LQLA)-14在11.2 ?和10.5 ?處顯示(001)和(200)面（圖5h,i）。高分辨透射電子顯微鏡進(jìn)一步確認(rèn)了這些納米片在原子尺度保留了結(jié)晶有序性。Zn(Py-LALA)-10的典型圖像顯示整個(gè)成像區(qū)域高度有序的二維肽晶格（圖5j,k）。在修正物鏡引起的襯度反轉(zhuǎn)后，觀察到4.0 nm?1的倒易晶格間距，對(duì)應(yīng)于0.5 nm的實(shí)空間距離（圖5j插圖），這與滑移堆積模型一致。Zn(Py-LQLA)-14顯示出同樣有序的二維晶格（圖5l,m），倒易晶格間距為7.4 nm?1，支持相同的堆積基序。這些結(jié)果表明剝離的納米片保留了體相的面內(nèi)結(jié)晶有序性，即使沿著c軸減少到僅幾個(gè)分子層也是如此。值得注意的是，Zn(Py-LALA)-10納米片在180天內(nèi)保持膠體穩(wěn)定性而無(wú)明顯形貌退化。這種層內(nèi)互鎖架構(gòu)相比于非互鎖的Zn(Ba-LALA)-1（60天內(nèi)分解）和非共價(jià)組裝的肽-索烴納米片（7天內(nèi)解組裝）提供了顯著增強(qiáng)的穩(wěn)定性。這些結(jié)果共同確立了自上而下液體剝離作為制備獨(dú)立存在的單晶超薄二維肽納米片的通用且可規(guī)?；耐緩?，相對(duì)于母體晶體的產(chǎn)率約為4-10 wt%。

圖5 | 超薄肽納米片的液體剝離與表征。 a，沿ab平面對(duì)Zn(Py-LALA)-10納米片進(jìn)行自上而下剝離的示意圖。b–e，Zn(Py-LALA)-10和Zn(Py-LQLA)-14晶體的光學(xué)顯微鏡(b,c)和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖像(d,e)。b和d對(duì)應(yīng)Zn(Py-LALA)-10，c和e對(duì)應(yīng)Zn(Py-LQLA)-14。d中的藍(lán)色虛線框突出顯示了明確的層狀形貌。f–i，剝離的Zn(Py-LALA)-10和Zn(Py-LQLA)-14納米片的原子力顯微鏡圖像(f,g)和掠入射廣角X射線散射圖譜(h,i)。f和h對(duì)應(yīng)Zn(Py-LALA)-10，g和i對(duì)應(yīng)Zn(Py-LQLA)-14。原子力顯微鏡圖像(f,g)中的“4 L”表示四層厚度。j–m，Zn(Py-LALA)-10 (j,k)和Zn(Py-LQLA)-14 (l,m)納米片的高分辨透射電子顯微鏡圖像，插圖為快速傅里葉變換圖譜。k和m中的原始圖像區(qū)域分別對(duì)應(yīng)j和l中藍(lán)色虛線框所標(biāo)示的區(qū)域。k和m中分別顯示了相應(yīng)的放大區(qū)域和模擬圖像。

圓二色譜揭示了Zn(Py-LALA)-10納米片中強(qiáng)烈的手性放大和增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這些特性，結(jié)合其機(jī)械魯棒性和極性表面，促使研究人員進(jìn)一步探索其生物分子結(jié)合特性。研究聚焦于免疫調(diào)節(jié)糖皮質(zhì)激素，因其在代謝、免疫調(diào)節(jié)和炎癥中的核心作用。熒光滴定實(shí)驗(yàn)用于評(píng)估二維納米片與糖皮質(zhì)激素的結(jié)合。所得結(jié)合常數(shù)范圍為7.0×102 M?1至3.9×10? M?1（圖6a,b）。紫外-可見(jiàn)滴定進(jìn)一步證實(shí)了氫化可的松的氫鍵介導(dǎo)結(jié)合，Zn(Py-LALA)-10和Zn(Py-GLALA)-11的K?分別為2.5×10? M?1和2.1×10? M?1。重要的是，納米片的手性強(qiáng)烈影響結(jié)合親和力。例如，Zn(Py-DADA)-10與潑尼松結(jié)合的K?為3.9×10? M?1，遠(yuǎn)高于其L-對(duì)映體的1.3×10? M?1。值得注意的是，Zn(Py-DADA)-10納米片對(duì)氫化可的松表現(xiàn)出顯著的對(duì)映體區(qū)分，對(duì)映選擇性因子達(dá)到7.4（圖6c）。對(duì)照實(shí)驗(yàn)確認(rèn)Zn(Py-LALA)-10納米片結(jié)合氫化可的松比體相晶體、游離配體或非互鎖類(lèi)似物更強(qiáng)。值得注意的是，結(jié)合親和力遠(yuǎn)超序列和側(cè)鏈匹配的Zn(Ba-LALA)-1（7.0×102 M?1），凸顯了層內(nèi)互鎖在增加橫向表面積和增強(qiáng)手性結(jié)合位點(diǎn)可及性方面的作用。基于其對(duì)糖皮質(zhì)激素的對(duì)映選擇性結(jié)合，研究人員將研究擴(kuò)展到手性藥物化合物組。值得注意的是，帶有極性側(cè)鏈的Zn(Py-LQLA)-14相對(duì)于由非極性殘基組成的納米片表現(xiàn)出增強(qiáng)的結(jié)合親和力。其對(duì)L-多巴和L-α-甲基多巴的結(jié)合常數(shù)分別達(dá)到1.2×10? M?1和1.7×10? M?1（圖6d），超過(guò)了Zn(Py-LALA)-10和Zn(Py-GLALA)-11。此外，Zn(Py-LQLA)-14納米片對(duì)(R)-苯基丁酸表現(xiàn)出顯著的對(duì)映選擇性（對(duì)映選擇性因子為20.9，圖6e），而Zn(Py-GLALA)-11顯示出對(duì)左乙拉西坦的立體識(shí)別（對(duì)映選擇性因子為9.6）。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了表面化學(xué)環(huán)境在調(diào)控二維肽納米片結(jié)合親和力和對(duì)映選擇性中的關(guān)鍵影響。為在分子水平上理解肽納米片的對(duì)映選擇性識(shí)別特性，研究人員以氫化可的松為代表客體進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬。模擬顯示氫化可的松通過(guò)氫鍵相互作用結(jié)合到Zn(Py-LALA)-10納米片表面（圖6f），形成穩(wěn)定的主客體復(fù)合物，計(jì)算結(jié)合能為-74.7 kcal mol?1。該相互作用強(qiáng)于對(duì)Zn(Py-DADA)-10（-57.8 kcal mol?1）和Zn(Py-GLALA)-11（-68.3 kcal mol?1）的計(jì)算值（圖6g-i）。在此背景下，范德華相互作用也對(duì)對(duì)映選擇性結(jié)合做出了重要貢獻(xiàn)。這些結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察一致。為展示實(shí)際應(yīng)用可行性，Zn(Py-LALA)-10納米片被整合到電紡聚偏氟乙烯膜中。在暴露于手性1-苯基乙胺飽和蒸氣時(shí)，Zn(Py-LALA)-10-NSs@PVDF膜表現(xiàn)出強(qiáng)烈的對(duì)映體區(qū)分能力，其中(S)-1-苯基乙胺顯示出比(R)-1-苯基乙胺顯著更強(qiáng)的相互作用（對(duì)映選擇性因子為12.0，定義為兩種對(duì)映體之間的猝滅比；圖6j）。手性吸附實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了這種對(duì)映選擇性，從外消旋混合物中獲得76%對(duì)映體過(guò)量的(S)-1-苯基乙胺。對(duì)映體Zn(Py-DADA)-10-NSs@PVDF膜顯示出相反的選擇性（對(duì)映選擇性因子為11.6，圖6k），與其鏡像構(gòu)型一致。對(duì)照實(shí)驗(yàn)證實(shí)，空白PVDF膜或僅含Py-LALA配體和Zn2?的膜均未檢測(cè)到熒光或?qū)τ尺x擇性，證明對(duì)映選擇性傳感完全來(lái)自嵌入的肽納米片。

圖6 | 結(jié)合特性與對(duì)映體區(qū)分應(yīng)用。 a，超薄肽納米片與G35滴定的結(jié)合常數(shù)。b，Zn(Py-LALA)-10和Zn(Py-GLALA)-11納米片對(duì)多種糖皮質(zhì)激素的結(jié)合親和力。c，Zn(Py-LALA)-10和Zn(Py-GLALA)-11納米片對(duì)G32-G36的對(duì)映選擇性。d，Zn(Py-LQLA)-14納米片與藥物分子G41-G48滴定的結(jié)合常數(shù)。e，超薄肽納米片對(duì)手性藥物的對(duì)映選擇性。f–h，甲醇中Zn(Py-LALA)-10 (f)、Zn(Py-DADA)-10 (g)和Zn(Py-GLALA)-11 (h)與氫化可的松結(jié)合的分子動(dòng)力學(xué)模擬建模與計(jì)算結(jié)合能。i，分子動(dòng)力學(xué)模擬預(yù)測(cè)的各納米片對(duì)氫化可的松結(jié)合能的比較。j,k，Zn(Py-LALA)-10-NSs@PVDF膜(j)和Zn(Py-DADA)-10-NSs@PVDF膜(k)暴露于手性1-PEA時(shí)的熒光猝滅時(shí)間曲線。l，數(shù)據(jù)以三個(gè)獨(dú)立測(cè)量的均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。c和e中的EF值計(jì)算為對(duì)映體肽納米片之間結(jié)合常數(shù)的比值。

超薄二維肽結(jié)構(gòu)在生物系統(tǒng)中無(wú)處不在，在多種生理過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。本研究引入的金屬介導(dǎo)β-折疊樣組裝策略，用于構(gòu)建一類(lèi)獨(dú)特的超薄二維肽晶體。該方法能夠在二維方向上形成有序的β-折疊樣堆積，同時(shí)容納平行和反平行鏈取向?？赡娴慕饘?肽配位通過(guò)抑制肽折疊和穩(wěn)定擴(kuò)展構(gòu)象來(lái)引導(dǎo)自適應(yīng)組裝，使得通過(guò)側(cè)鏈、序列、手性、主鏈長(zhǎng)度和金屬離子的系統(tǒng)調(diào)控來(lái)合成具有表面架構(gòu)精確控制的層狀肽晶體成為可能。由反平行β-折疊樣肽堆積產(chǎn)生的層內(nèi)互鎖顯著增強(qiáng)了機(jī)械穩(wěn)定性，使得能夠分離出具有高結(jié)構(gòu)完整性和放大的手性的獨(dú)立存在的單晶超薄納米片。這種可規(guī)?；呗栽试S從化學(xué)簡(jiǎn)單的肽配體進(jìn)行多克級(jí)合成，并通過(guò)自上而下的剝離支持結(jié)晶二維肽納米結(jié)構(gòu)的大規(guī)模生產(chǎn)。所得的高縱橫比肽納米片表現(xiàn)出對(duì)糖皮質(zhì)激素和手性藥物的對(duì)映選擇性結(jié)合，其性能隨序列和側(cè)鏈變化而變化，為功能優(yōu)化提供了一個(gè)模塊化平臺(tái)。這些發(fā)現(xiàn)意味著超薄二維肽材料有潛力模擬在天然生物膜中觀察到的某些對(duì)映選擇性識(shí)別功能。與非互鎖類(lèi)似物相比，層內(nèi)機(jī)械互鎖增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)完整性，并定義了一個(gè)空間組織有序的結(jié)合環(huán)境，改善了結(jié)合親和力和對(duì)映選擇性。通過(guò)實(shí)現(xiàn)單晶生長(zhǎng)，這種金屬介導(dǎo)的組裝克服了長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)合成二維肽系統(tǒng)進(jìn)行原子分辨率結(jié)構(gòu)分析的障礙。更廣泛地說(shuō)，將金屬離子整合到明確定義的二維肽晶格中，為構(gòu)建具有非常規(guī)結(jié)構(gòu)和涌現(xiàn)功能的人工金屬蛋白建立了藍(lán)圖。從二維材料領(lǐng)域的更廣泛視角來(lái)看，這項(xiàng)工作為開(kāi)發(fā)一類(lèi)獨(dú)特的可編程二維晶體系統(tǒng)提供了一種通用方法，該系統(tǒng)具有可調(diào)特性和高結(jié)構(gòu)精度。其內(nèi)在手性可能使未來(lái)在自旋電子學(xué)、壓電學(xué)、鐵電學(xué)和磁電學(xué)等新興領(lǐng)域的探索成為可能。值得注意的是，這里報(bào)道的單晶二維肽組裝體有望表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性、生物安全性和生物可降解性，從而為克服傳統(tǒng)二維材料在生物和醫(yī)學(xué)應(yīng)用中長(zhǎng)期存在的局限性提供了一條有前景的途徑。