Nature子刊：通過仿生聚合物的序列工程來調整結晶途徑

【引言】

目前，已有文獻報導了在各種材料結晶相中出現無序、無定形或致密液態的兩步成核途徑，但是研究人員對這種途徑的動力學尚不清楚。此外，無論是用該途徑產生的結晶系統的一般特征，還是特定結構的細節，其結果均是未知的。使用原子力顯微鏡直接觀察特定的聚合物結晶表明，結晶途徑確實具有序列依賴性。當將短的疏水區域加入到直接形成結晶顆粒的序列中時，結晶反而遵循從產生10~20個分子的無序簇開始的兩步途徑，其特征在于高度非線性的結晶動力學，其中無序簇轉化成有序結構，然后進入生長階段。這個結果揭示了非經典結晶機理，并對自組裝聚合物體系的設計產生了影響。

【成果簡介】

近期，Nature Material發表了一篇關于調整高分子結晶途徑的文章，題為“Tuning crystallization pathways through sequence engineering of biomimetic polymers ”。論文共同通訊作者是來自美國太平洋西北國家實驗室的陳春龍、James J. De Yoreo。而近年來，針對許多系統已經提出了涉及組合比單體更復雜的物質的等級路徑。這些途徑包括兩步法，最初原型為蛋白質，晶體在富含單體的非結晶簇中自發形成。然而，這些途徑的報告主要基于模擬或間接測量，而且兩步法的動力學也并未揭示：集群中的單體是否產生第一個結晶顆粒；提供異質成核的環境難以確定。所以此文的創新之處在于，研究人員利用原子力顯微鏡（AFM）的亞納米分辨，觀察到了聚合物表面促進結晶的傾向，找到形成二維結晶片和多孔網絡的仿生聚合物的路徑。

【圖文導讀】

圖1 云母上形成的擬肽分子和晶體的結構

a Pepc（?肽酶c）的分子結構。

b Pepb（?肽酶b）的分子結構。

c提出的模型：完全去質子化的線性雙層結構的Pepc組件，其結合Ca2+-羧酸酯配位鍵；類肽纖維垂直于表面生長。
c圖中的不同顏色代表： C—灰色； O—紅色；N—藍色；Cl—青色；Ca2+—橙色。

圖2 類肽組件及其形態的原位視圖

a-e Pepc結晶； f-j Pepb結晶。

圖3 晶體形成和雙層添加的動力學

a 在10mM CaCl2溶液中Pepc的高度與時間的關系。

b 在10mM CaCl2溶液中Pepb的高度與時間的關系。

c Pepc中晶體數密度隨時間的變化情況。

d Pepb中晶體數密度隨時間的變化情況。
對于標記為10mM Ca2+ 的0.1mM Pepc的曲線，是將溶液混合之后立即通過0.2μm的過濾器，然后注入AFM流體細胞。
誤差條表示在各個條件下測量值的兩個標準誤差（SE）。

圖4 Pepc簇與晶體形成率的比較與模型預測

a 簇密度（空心符號）和晶體（閉合符號）與時間的關系。

b 從5-?-高簇轉化的3-nm-高結晶顆粒的百分比與時間的關系。

c，d 分別對應于a和b的代表性模型預測。
其中，c中的實線對應為晶體，虛線對應為簇。

圖5 類肽的結晶途徑和能量模型

a 早期階段Pepc組裝過程的類肽模型，顯示疏水性結合物對類肽聚集傾向的影響。

b 晚期階段Pepc組裝過程的類肽模型，顯示疏水性結合物對類肽聚集傾向的影響。

c 從Pepb的一步法到Pepc的兩步法的途徑改變，以及與向Pepb疏水區域添加相關的相應能量障礙的修飾。
顏色代碼：C—灰色； O—紅色；N—藍色；Cl—青色；Ca2+—橙色。

【小結】

研究發現有很多因素影響結晶途徑。Pepb的行為表明，即使對于稍復雜的分子，簡單的結晶途徑可占主導地位；然而，Pepc結晶表明，順序上的輕微改變可以將途徑轉變為兩步法。此外，單體聚集的傾向可以明顯影響其轉向趨勢。

由于Pepc晶體自發形成的初始簇，經典成核理論（CNT）的常規表達式難以描述其動力學。而該研究人員模型中的耦合差分方程所描述出，速率由簇數密度以及簇轉換為結晶粒子的速率常數確定。Pepb晶體的形成顯示了成核一些特征，包括：濃度時間依賴性孵育；晶體生長速率v對Cp的線性依賴性；通過CNT很好地擬合了J對過飽和度的依賴，并且表現出蛋白質間合理的界面自由能。速率數據也同時是無障礙相分離的證據，其中無序簇與某些無機系統提出的預成核簇類似，形成速率是動力學轉換障礙的反應表現。

實驗中的兩步過程不同于在成核之前體內無序相的變化過程，其與表現出無序微觀前體體系的關系難以把握。結晶步驟也不太清楚，實驗過程中的一小部分蛋白質似乎能形成晶核，但考慮到Pepc簇的大小，大多數類肽應該包含核。Pepc簇與無機系統報告的預核簇（PNC）的關系同樣不清楚。此外，PNC如何轉變為晶體，以及該過程的成核或聚集的應動力學也是未知的。因此該項研究仍極富挑戰性。

最后，生產和分離無序前體或直接進入結晶相的能力在生物體系和合成過程中具有潛在價值（如藥物制劑），該項研究表明了極具價值的設計原則：可以通過調整低聚自由能的大小來選擇途徑——決定如何形成結晶前體。

文獻鏈接：Tuning crystallization pathways through sequence engineering of biomimetic polymers（Nature Material ，2017，DOI: 10.1038/NMAT4891）

本文由材料人編輯部高分子學術組水手供稿，材料牛編輯整理。

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