以色列特拉維夫大學 Ehud Gazit團隊 Adv. Mater.: 仿細菌的肽-金屬自支撐納米復合材料的電導率、選擇性粘附和生物相容性

【引言】

細菌IV型菌毛 (T4P)是主要由菌毛蛋白單體組成的具有多種生物學作用的聚合蛋白納米纖維。在具有金屬還原性的硫還原地桿菌（GS）中，T4P通過促進與細胞外金屬物質的物理接觸和隨后的電子轉移而參與無氧呼吸。雖然這種相互作用的分子機制和GS T4P的確切結構都是未知的，但是已有證據表明物理接觸是由GS菌毛蛋白單體的可變極性C-末端區域介導的。

鑒于GS T4P獨特的生物學性能，那么它們的生物合成肽模擬物是否也是一類有用的生物材料呢？通過設計20聚體肽結構單元自組裝成T4P樣納米纖維，研究其結構發現C-末端片段采用天然的螺旋構象，且對于自組裝是非必需的，然而其N-末端片段卻呈現出不同的β型構象并驅動自組裝過程。雖然從結構方面研究了20聚體的 T4P類納米纖維，但是尚未探索它們的功能。同時，由于天然GS T4P與金屬氧化物顆粒和金屬離子存在固有的相互作用，那么T4P類肽納米纖維是否也會發生類似的相互作用？雖然先前已有報道蛋白質纖維和金屬物種之間的相互作用，但是并不是直接受到天然生物系統的啟發。此外，之前的研究通常是通過多步工藝或使用外源添加劑來實現單納米級的實質性修飾。

【成果簡介】

最近，以色列特拉維夫大學的Ehud Gazit教授（通訊作者）等人報道了T4P類肽納米纖維可以有效地結合金屬氧化物顆粒并還原Au離子，以此產生多功能和多功能的肽-金屬納米復合物。為了解釋與Au離子的相互作用，利用實驗和計算方法相組合對納米纖維的異常致密的Au納米顆粒(AuNPs)修飾形成的機理進行研究。形成的肽-AuNPs納米復合材料熱穩定性增強，并從單纖維水平向上的導電性和基底進行選擇性的粘附。制備的肽-AuNPs納米復合材料可以作為可重復使用的催化涂層或形成具有所需形狀的自支撐浸漬膜。薄膜支架與心肌細胞組裝成同步貼片，并在宏觀尺度上呈現靜電荷檢測能力。該研究提出了一種新型仿T4P的生物金屬材料。研究成果以題為“Electrical Conductivity, Selective Adhesion, and Biocompatibility in Bacteria-Inspired Peptide–Metal Self-Supporting Nanocomposites”發布在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、研究工作范圍

受到GS T4P與金屬氧化物和金屬離子的天然相互作用的啟發，探索了這些物質與T4P類自組裝肽納米纖維之間的類似相互作用。研究了金屬氧化物與納米纖維的結合，以及后者還原離子Au的能力。通過納米纖維的離子Au還原過程以可控的方式形成肽-AuNPs納米復合材料。由于其基質選擇性粘附和導電性，肽-AuNPs納米復合材料被用于化學催化、靜電荷檢測和心臟組織支架應用。

圖二、氧化物顆粒與肽納米纖維的結合
（a）納米纖維分散體、氧化物顆粒的不同分散體和肽納米纖維-氧化物混合物的照片；

（b）對應于圖（a）的液體大塊樣品的紫外-可見光譜；

（c）對應于（a）的納米纖維-氧化物混合物的發光樣品的TEM圖像；

（d）肽納米纖維和氧化物顆粒的電泳遷移率。

圖三、肽-AuNPs納米復合材料的表征
（a）90 ℃溫育的肽納米纖維和HAuCl₄混合物的照片；

（b）AuNPs修飾的納米纖維的TEM圖像，從0.2，0.075和0.015體積分數條件（從左到右）；

（c）單個修飾的納米纖維的TEM圖像分析，用于估計AuNPs的覆蓋率；

（d）20聚體肽的最低靶功能NMR結構以及80 ns后通過MD模擬的簡單納米纖維模型；

（e）在9 ns后通過MD模擬AuNPs (直徑10 nm)與納米纖維的結合；

（f）濁度區域繪圖顯示HAuCl₄對肽納米纖維的熱穩定性。

圖四、肽-AuNPs納米復合物的物理性質
（a）左圖：來自稀疏(黑色)、中度（紅色）和密集（紫色）裝飾條件的單個納米纖維的CP-AFM測量；

（b）在0.1 M磷酸鹽-檸檬酸鹽緩沖液 (pH = 7.0)中，來自稀疏（黑色）、中度（紅色）和致密（紫色）裝飾條件的厚度歸一化納米纖維膜的溫度依賴性電導率；

（c）1.5 cm長的密集裝飾納米纖維片的照片，允許激活串聯連接的LED；

（d）單個納米纖維的EFM相移來自沉積在玻璃（頂部）或Au（底部）表面上的稀疏（黑色）、中等（紅色）和致密（紫色）裝飾條件；

（e）密集裝飾的納米纖維膜與水中各種基質材料的粘附性；

（f）具有形狀側或直徑為1 cm（頂部）的密集裝飾的納米纖維的水浸的自支撐膜的照片以及在轉移到基底和脫水（底部）之后的相應的SEM-EDX圖像和元素圖；

（g）CSLM測量的密集裝飾的納米纖維膜（n = 3 薄膜）的平均厚度輪廓。

圖五、肽-AuNPs納米復合材料的應用
（a）左：在硅橡膠表面上存在納米纖維涂層的情況下，4-硝基苯酚催化還原為4-氨基苯酚的時間依賴性UV-可見光譜；

（b）左圖：基于納米纖維膜的靜電荷檢測器的照片；

（c）培養5天后與心臟細胞一起培養的圓形納米纖維薄膜的光學顯微鏡圖像系列；

（d）在圓形納米纖維膜上培養的心肌細胞中免疫染色的心臟肌節肌動蛋白（紫色）、連接蛋白43（綠色）和細胞核（藍色）的CSLM熒光圖像；

（e）左：熒光顯微鏡圖像顯示用于鈣瞬態成像的數據量化的感興趣區域。

【小結】

綜上所述，首次提出了最近報道的T4P樣肽納米纖維的多功能性。這些設計的自組裝納米結構與金屬氧化物或離子的仿生相互作用產生高度多樣化的納米復合材料。由于AuNPs的易修飾性，其形成的簡單性以及不需要使用諸如還原劑的外部添加劑，與Au離子的相互作用尤其顯著。組合的肽-AuNPs材料呈現出有吸引力的功能特性，其包括來自單納米級水平的導電性和基底選擇性粘附。后一種性質允許形成宏觀的纖維素，其可以用作涂層或直接以其極薄的自由形式使用。薄膜制劑制備非常簡單且是單步綠色化學制備，浸沒后觀察到自支撐和保持完整性，即使在嵌入無機材料或增加的膜厚度之后也是如此，組合的肽-AuNPs材料可以成功地用于幾種截然不同的應用中 。相信未來混合材料可以用于微電子電路、傳感器制造或者與用于生物醫學的電響應組織集成。

文獻鏈接：Electrical Conductivity, Selective Adhesion, and Biocompatibility in Bacteria-Inspired Peptide-Metal Self-Supporting Nanocomposites（Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201807285）

本文由材料人高生組的小胖紙編譯，材料人整理。

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