《自然·通讯》:追寻本质!探究Lys-DOPA湿粘合剂的分子设计原理

“天下谁人不识君”来形容粘合剂不为过!在生活中,我们经常听到“502胶、干胶、强力胶…”,常用的鞋子、书本等东西也时刻显示它们神奇的力量!其实,粘合剂是使相同或不同物料连接或贴合的各种应力材料总称。主要有液态、膏状和固态三种类型。常见的粘合剂都是属于人造粘合剂,而其面临的主要挑战之一是在水、盐和表面污染物存在下进行粘合。例如,常用“502胶”在使用前需要将被粘物的表面清洗干净,同时存在“耐老化性能差、耐温性能差、耐水性能不高,在潮湿环境下容易失效”等问题。

《自然·通讯》:追寻本质!探究Lys-DOPA湿粘合剂的分子设计原理

图片来源于网络

在自然界中,海洋贻贝在潮湿条件下具有坚韧地粘附到各种表面的能力。该性能由byssus(一种蛋白质固定物,由特殊的粘附蛋白的分泌和固化形成)调控,其中byssus中存在大量的3,4-二羟基苯丙氨酸(DOPA),是形成湿黏附的主要因素。利用表面力仪(SFA)研究发现,同时存在邻苯二酚和胺时,粘附能力更高。但SFA实验的整体性质无法准确确定分子机理,并间接证明赖氨酸(Lys)和苯丙氨酸(Phe)的粘合能力。同时,其它氨基酸、肽长度和拓扑结构对粘附和内聚力的影响仍然不清楚。此外,在Mfp-5中,Lys和DOPA间结合位点密度和拓扑结构对贻贝足蛋白(Mfps)粘附以及DOPA和Lys残基间的协同效应影响也不清楚

《自然·通讯》:追寻本质!探究Lys-DOPA湿粘合剂的分子设计原理

近日,美国加州大学伯克利分校的Phillip B. Messersmith教授(通讯作者)团队报道了他们利用单分子力谱(SMFS)研究了各种长度和组成的Mfp-5多肽类似物在有机和无机底物上的单分子粘附行为。首先测量各种长度(KY)、(KY)3和(KY)10的DOPA-Lys多肽与TiO2的分离力,其中K表示Lys、Y表示DOPA。接着,作者使用SMFS定量比较含苯丙氨酸(KF)和(KY)多肽与不同表面的相互作用强度,并且评估(KF)中阳离子-π介导结合的重要性。然后,作者研究了Mfp-5的合成模拟多肽的界面粘附强度。此外,通过在KY重复单元之间插入短的聚乙二醇低聚物(P8),作者还模拟了Mfps的隐藏长度,并且揭示了该隐藏长度在湿粘合中的重要作用。总之,该研究结果揭示了贻贝粘合剂蛋白中化学序列与拓扑结构之间的相互作用,并为仿生的湿粘合剂的合理设计提供了新思路。

《自然·通讯》:追寻本质!探究Lys-DOPA湿粘合剂的分子设计原理

图1、DOPA和Lys在海洋贻贝中的粘附

合成多肽和SMFS测量

所有多肽段均通过Fmoc策略在固相上合成,N3-(PEG)6-COOH接头与C末端偶联,并通过共价连接上5 kDa PEG。在典型的力光谱实验中,将悬臂以1000 nm s-1的恒定速度接近基底,以0.3-0.5 nN的恒定力保持在表面2 s,再以相同的速度缩回。在约2-5%的总力-伸长(F-X)曲线中,在约20-60 nm处观察到单个断裂力事件,表明多肽表面分离。

《自然·通讯》:追寻本质!探究Lys-DOPA湿粘合剂的分子设计原理

图2、合成多肽的化学结构

作者合成了(KY)、(KY)3和(KY)10多肽,并测量了它们对TiO2的粘附力。对于(KY)多肽的粘附力分布在约120 pN处呈狭窄的主峰,在200-900 pN基本没有峰。对于(KY)3多肽,断裂力分布在约300 pN处有一个主要峰。但是,(KY)3序列有更多的带正电荷Lys残基,从而增加了库伦电荷与带负电TiO2表面相互作用。同时,可以更有效地去除表面上的水合层,促进DOPA与基材的结合。最终使得粘合强度提高,而断裂力约300 pN。利用SMFS测量(KY)10多肽,来研究KY单元更深层次的协同结合。发现平均断裂力约250 pN,与(KY)3肽类似。对于(KY)10多肽,主链刚性、肽构象以及表面粗糙度和水合作用,不能使所有(KY)单元同时与基底进行有效的相互作用。

《自然·通讯》:追寻本质!探究Lys-DOPA湿粘合剂的分子设计原理

图3、(KY)、(KY)3和(KY)10多肽与TiO2相互作用的SMFS结果

作者设计了具有(KY)或(KF)序列的多肽,并比较了它们与聚苯乙烯(PS)和TiO2相互作用的结合强度。断裂力分布显示,对于(KY)二肽和PS表面的相互作用,平均分离力约90 pN。Phe与TiO2无法形成稳定的相互作用,并且Lys和TiO2表面间的电荷相互作用也不能被该技术检测到。此外,(KY)多肽与PS和TiO2表面的相互作用,其主要断裂力峰值位于约100 pN,以及TiO2在200-900 pN内存在一个较大的断裂力分布。因此,(KY)是一种更具通用性和更强的粘合剂部分。总之,DOPA是一种用途更广泛的粘合剂,在更大范围的基材上提高界面粘合性更具优势。

《自然·通讯》:追寻本质!探究Lys-DOPA湿粘合剂的分子设计原理

图4、(KF)和(KY)二肽与PS和TiO2相互作用的SMFS结果

作者还研究了富含Lys和DOPA的Mfp-5片段的粘附性能。选择了具有17个氨基酸的Mfp-5蛋白的一部分,并掺入了叠氮化物功能性末端与悬臂偶联。实验发现,大多数F-X曲线在约20 nm处显示一个断裂峰。但在大约20%F-X曲线中,观察到锯齿状图案,表明多个DOPA表面相互作用的断裂。测得的断裂力显示出较宽的分布,其峰值约280 pN,与(KY)3序列相似。SMFS结果表明,(KY)3序列具有与Mfp-5相似的粘合性能,但无法增强整体的相互作用强度。

《自然·通讯》:追寻本质!探究Lys-DOPA湿粘合剂的分子设计原理

图5、17-mer Mfp-5多肽与TiO2相互作用的SMFS结果

鉴于在Mfp-5类似物的F-X曲线中观察到多个断裂峰的可能性远高于(KY)3和(KY)10序列的断裂峰,作者合成并测试了具有与Mfp-5类似物的结合位点密度的模型多肽。利用单分散低的聚乙二醇低聚物(P8)来模拟天然Mfp-5中的间隔残基,并合成具有多个(KY-P8)重复单元的多肽。发些大多数F-X曲线显示3-4个不同的破裂峰,轮廓长度增量约5 nm,与(KY-P8)长度相当。多肽的断裂力显示出宽分布,峰位于约200 pN处。在施加力下,粘合位点几乎同时断裂,在掺入P8的多肽中,粘合基序顺序分离,并释放隐藏长度。

《自然·通讯》:追寻本质!探究Lys-DOPA湿粘合剂的分子设计原理

图6、(KY-P8)5KY多肽与TiO2相互作用的SMFS结果

全文链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17597-4

相关文章

微信