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类淀粉样蛋白质非经典结晶研究

陶菲  
【摘要】:蛋白质的淀粉样聚集行为往往会引起神经退行性疾病,例如帕金森综合征、阿尔兹海默症等,类淀粉样蛋白结晶对于理解和揭示蛋白质淀粉样聚集行为中分子机制以及发展相关治疗手段至关重要,而在另一方面,蛋白质淀粉样聚集所提供的高度有序结构为新材料的合成与设计提供了崭新的平台和模板。然而在热力学上难以区分蛋白质淀粉样纤维化和结晶,淀粉样晶体的获得通常被限定在淀粉样相关的多肽,对于淀粉样相关的蛋白质,由于熵的限制更易于形成淀粉样纤维而难以形成晶体,获得淀粉样蛋白质晶体仍然是一项巨大的挑战。为此,我们通过蛋白质解折叠,发展了动力学驱动的类淀粉样蛋白质非经典结晶途径,主要包括类淀粉样纳米晶的两步形核,和基于介观组装的生长,实现类淀粉样蛋白质晶体的结构和功能调控。研究工作总结如下:(1)首先我们研究类淀粉样蛋白质纳米晶的两步形核过程。通过三(2-羧乙基)膦(TCEP)还原溶菌酶中二硫键使其解折叠,从而激发类淀粉样转变。解折叠链之间形成的短程有序β-sheets聚集体,动力学控制的准平衡态组装能够抑制蛋白质之间过强作用(over interactions),促使短程有序的β-sheets聚集体能够进行有序堆积,形成类淀粉样纳米晶体,该晶体具有典型'核-壳'结构,即纳米晶体作为'核'嵌入在由解折叠链构成的'壳'中。(2)以(1)为基础,我们发现了第一例(生物)大分子介晶,在此之前介晶的获得被限制在无机物结晶以及一些有机小分子结晶中,如氨基酸和有机染料。由解折叠链形成无定型壳提供动力学能垒稳定蛋白质纳米晶,在一定条件下克服动力学的能垒,类淀粉样纳米晶体结构能够通过介观晶体学有序组装形成蛋白质介晶,蛋白质介晶进一步融合形成具有分级结构的柔性大面积片状单晶。基于TEM、SAED、HR-XRD和SAXS等结构表征建立了类淀粉样蛋白质纳米晶的堆积模型,确定蛋白质纳米晶是由β-sheets聚集体堆叠而成的体心立方结构。(3)以(1)和(2)为基础,我们提出基于动力学调控蛋白纳米晶有序组装的介晶化途径来实现淀粉样蛋白质晶体结构和形貌调控。一方面,这种核壳结构的蛋白质纳米晶具有'外柔内刚'的特点,具有多层分级结构的'刚性'结晶核能够抵抗β-sheets结构本身的柔性扰动,同时解折叠链构成的柔性'壳'能够释放组装过程中的弹性形变,这两者能够使得纳米晶即使在较高温度下仍不受β-sheets本身结构扭曲的影响,而实现晶态自组装。另一方面,蛋白质纳米晶作为高级的β-sheet有序组装体,具有典型的'面(face)'和'边(edge)'的异质结构,使蛋白质纳米晶实现各向异性的组装和生长。如疏水作用主导蛋白质纳米晶的“面-对-面堆叠(face-to-face packing)”形成柳叶状单晶,而氢键主导蛋白质纳米晶的“边-对-边扩展(edge-to-edgeextending)”,从而得到微米级多晶片层,多晶片层进一步在气/液界面堆叠形成水凝胶薄膜。水凝胶薄膜可在进一步的缓慢自然干燥过程中,通过挥发诱导自组装(EISA)引起内部片晶的有序组装融合,从而促使水凝胶转变为有序多层的淀粉样蛋白质晶体薄膜。(4)类淀粉样蛋白质纳米晶表面暴露出大量的氨基酸残基,可以和金属离子、纳米颗粒以及胶体颗粒表面产生相互作用,另外蛋白质纳米晶的可控介观组装能够产生复杂分级结构,基于这两点为设计和制备复杂分级结构的杂化材料提供了平台。我们实现了金离子复合胶体粒子和蛋白质纳米晶共组装,从而制备出蛋白质-金杂化晶态软材料;利用蛋白质和金纳米颗粒界面相互作用,介导金纳米颗粒组装形成的分支超结构;以蛋白质纳米晶为模板实现了微孔/介孔Co304单晶纳米片的制备。


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