Nature Communications:巧妙利用蛋白質精確引導富勒烯晶體自組裝

美國達特茅斯學院Gevorg Grigoryan和他的合作伙伴研究出一種神奇的人造蛋白質，夠生產出納米尺度的新材料。

富勒烯（即C60）具有良好的耐高溫和超導性而常常在納米技術中發揮作用，但是這種分子很難以理想的方式組合在一起，這大大阻礙了它在新型材料發展中的應用。研究人員近日利用蛋白質與C60復合，并成功利用蛋白質的引導作用，使得C60組裝成設計的三維晶體結構，所得的晶體具有良好的導電性，而這一新的特性是蛋白質晶體和無定型C60都不具備的。

這種蛋白質與富勒烯的復合尚屬首次，研究人員成功的表征了其晶體的三維結構并發現，蛋白質在原子分子水平對分子組裝的良好的引導作用，是一種能夠實現分子組裝得到所需的材料性質的新方法。

【文獻導讀】

摘要：研究設計自組裝能夠通過設計使得分子的精確裝配，以獲得具有定制特性的材料。我們的研究證實，蛋白質能夠引導富勒烯（即C60）形成有序的超晶格結構。先前所設計的四聚體螺旋束與C60在溶液中結合，使其具有水溶性。兩個四聚體與一個C60連接，促使其進一步的組裝，反映在一個1.67?的晶體結構中。富勒烯基團占據了周期性的晶格位點，夾在相鄰四聚體的酪氨酸殘基之間。值得注意的是，這樣的組裝表現出高電荷導通性（即導電性），而純蛋白質晶體和無定型的C60都是電絕緣的。由于C60晶體結合位點而產生的親和性據估算在納摩爾量級范圍，包含與已知蛋白質晶體晶格幾何兼容的可結合的模體。綜合來看，這些發現表明一種新方法的發現，這種方法能夠將富勒烯分子組裝成多種多樣的晶格結構，從而得到所需要的設計出的新性質。

小編注：
1，模體：屬于蛋白質的二級結構，表示蛋白質中具有特定空間構象和特定功能的結構成分。
2，COP：C60-organizing peptide, 即結合有C60的肽。作者通過超聲處理，將C60溶解在肽的水溶液中得到，文中將其簡稱為COP；?C60Sol： C60吡咯烷酮三羧酸，即在C60分子上修飾上吡咯烷酮三羧酸，得到了一種水溶性更好的C60類似物，相當于提高了水溶性的C60等價物。為方便描述本文沿用作者原文中的這兩個簡稱。

文獻圖解

圖1 蛋白質-C60的超組裝

a， 穩定且絕緣的COP四聚體通過表面結合位點（包含酪氨酸殘基和其他芳香族側鏈等）與C60基團相互作用，并進一步與富勒烯自組裝成為共晶陣列.
b， C60/COP 懸浮液和純COP的紫外吸收光譜顯示，原始的富勒烯（綠色線）溶解在了含有蛋白質的水相中.
c， 純COP及其與C60或C60Sol結合后的體積排除色譜圖（SEC）曲線. 上下兩圖顯示分別在340nm和220nm處的吸光度. 較低的峰升高，是由于C60或C60Sol的加入產物與COP八聚體的分子量一致.
d， 每個C60Sol-COP晶體中的COP四聚體與四個富勒烯相連（每條鏈一個），每個富勒烯楔入兩個相鄰的COP四聚體之間，整體上為兩個富勒烯對應一個COP四聚體.
e， C60Sol-COP晶體立體電子密度圖. 顯示了C60(橙色短棒)的電子密度，C60分子夾在相鄰的COPs的π-π堆積的酪氨酸殘基之間.
f， C60配位的殘基用短棒和標簽標示.
g， 與C60配位位點的表面描述，用真空中相對電勢表示（紅色到藍色表示正電勢到負電勢）

圖2 COP晶體的變化及與富勒烯的結合.

a， COP（綠色）和C60Sol-COP的重疊螺旋束沒有明顯的結構改變.在方框中標出的是富勒烯結合位點附近的側鏈的差異.
b， 在C60Sol-COP中的芳香族酪氨酸9（Tyr9）殘基之間的距離發生變化和調整，以結合富勒烯.
c， 不同角度（視角）下的COP-富勒烯晶格
d， COP與C60Sol-COP晶體的晶格結構的顯著變化.從上方看，C60Sol-COP形成一種蜂巢結構（ii）,而COP形成四聚體立方圖案.

圖3 富勒烯的組裝使得晶體具有電子輸運的能力

a， 三個角度下的C60Sol-COP晶體晶格示意圖
b， C60基團在組裝中以螺旋方式沿著隧道內部排列
c， 隧道的側視圖顯示了內其部的相鄰C60間的最近距離
d， 半對數的電流-電壓特征曲線（即安-伏特性曲線）. C60Sol-COP超晶體（紅色圓點）；無定型的C60Sol-COP（橙色菱形）；純C60甲苯溶液蒸干得到無定型的C60薄膜（綠色方形）；晶體緩沖溶液（藍色三角形）；COP-蛋白質晶體（紫色方環）.

原文參考鏈接：Researchers create artificial protein to control assembly of buckyballs

文獻原文鏈接：Protein-directed self-assembly of a fullerene crystal

文獻補充圖表鏈接：Supplementary Information

感謝材料人編輯部尉谷雨提供素材！本文由李卓整理編譯。