Small:浓度编码的多肽层级组装体的荧光颜色动态调节行为

头足类软体动物(如章鱼、墨鱼和乌贼)细胞内色素分子具有的浓度诱导光学特性,协同Reflectin蛋白层级组装导致结构色变化,上述原因使章鱼等软体动物可根据环境对自身身体进行动态变色伪装。但是头足类动物在黑暗条件下很少有彩虹色,比如萤光鱿鱼在暗场下只有蓝色荧光,没有彩虹色。因此,基于生物仿生理念,利用生物分子开发具有浓度编码的颜色可调的荧光层级纳米组装体将在生物成像、可植入发光二极管和生物变色伪装等领域有广阔应用前景。

近日,由西北农林科技大学食品科学与工程学院科研团队模拟软体生物的动态变色行为,设计了一种富含组氨酸的多肽,多肽可通过氢键和π-π堆积相互作用自组装成稳定的层级纳米组装体,发出从蓝色到橙色区域的彩虹色荧光。荧光颜色可通过控制多肽浓度精准调节,该项工作为多色系生物分子的设计与制备提供了有益参考。

图1富组氨酸肽溶液的彩虹色荧光

该项研究中,在365 nm的紫外光照射下,随着富含组氨酸的肽溶液浓度变化,可观察到溶液荧光颜色从蓝色(0.19,0.19)到橙色(0.43,0.48)变化。其中,在生理条件下,低浓度(0.1 mg/mL)富组氨酸肽溶液发射光为蓝色,而高浓度(10.0 mg/mL)为橙色。

图2富组氨酸肽的分层组装诱导发射

富组氨酸多肽的发光机制在于多肽组装,通过冷冻扫描电镜(cryo-SEM)对多肽组装体的形貌进行表征,发现富含组氨酸的多肽可以自组装成纳米团簇,而纳米团簇在分级组装过程中进一步形成高有序的纳米组装体。动态光散射结果显示多肽浓度会直接影响多肽自组装和分层组装的过程,低浓度组装体远小于高浓度组装体。另外,通过对酰胺I和Ⅱ区域的傅里叶变换红外光谱(FTIR)来表征肽纳米组装的二级结构结果表明,肽纳米结构中存在α-螺旋、β折叠片、聚集链和反平行β折叠片,这些多肽具有形成反平行β-sheet等富含氢键结构的趋势。随着浓度的增加,β折叠片和反平行β折叠片的比例降低。在分级组装过程中,可能由于π-π叠加作用导致氢键比例降低,因此高浓度的肽容易随机聚集。

图3富组氨酸肽荧光颜色动态可调。

通过弹性透析膜来模拟色素细胞,当膜收缩时,可以迅速拉伸成可调的颜色;进一步通过稀释试验以模拟色素细胞的动态变色。结果发现稀释后的多肽溶液荧光颜色发生蓝移,与相邻溶液颜色相似,显示其从高到低浓度的变色能力是可逆的。最后,通过使用富含组氨酸的多肽对HeLa细胞进行染色,证明其在HeLa细胞RGB通道具有蓝色、绿色和红色荧光。

总之,团队在色素浓度诱导和Reflectin蛋白层级组装诱导头足类动物动态变色的启发下,设计了富组氨酸肽,多肽可以通过层级组装在蓝色区域到橙色区域发射出荧光,并且荧光颜色可通过控制多肽浓度进行精准。利用富组氨酸多肽的动态显色能力,构建了一种仿生荧光多色细胞。该工作对未来生物成像、植入式LED和生物伪装等应用具有重要借鉴意义。

西北农林科技大学孔佳副教授为论文第一作者,天津大学王跃飞副教授以及西北农林科技大学夏寅强副教授、李忠宏教授为本文的共同通讯作者。西北农林科技大学食品学院本科生李文欣(学生一作)、赵世璇以及天津大学张嘉兴博士参与完成该工作,特别感谢西北大学岳田利教授对本工作的指导与帮助。

本研究由国家自然科学基金 (K3050220109) 、中央高校基本科研业务费专项资金(Z1090220301和Z109022064) 资助,谨此感谢。

论文信息:

Color-tunable fluorescent hierarchical nanoassemblies with concentration-encoded emission

Jia Kong, Wenxin Li, Shixuan Zhao, Jiaxing Zhang, Tianli Yue, Yuefei Wang*, Yinqiang Xia*, Zhonghong Li*

Small

DOI: 10.1002/smll.20220182

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202201826