固液界面上淀粉样多肽的多层直立自组装及纳米纤维机械性能研究

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近些年,在研究淀粉样疾病的致病机制和纳米技术方面,界面辅助的与淀粉样疾病相关的多肽自组装受到了广泛关注。尽管,关于影响淀粉样多肽自组装因素的报道已经很多,例如,盐对多肽自组装的影响,但是,我们仍然没有完全理解这些因素是怎样影响多肽的自组装。虽然,研究人员已经发现一些盐通过所谓的“盐析”效应能够促进多肽的自组装,但是,它们通常是不可控的,无序的,无定形的聚集。我们通过实验和理论相结合的方法,研究一段与三种淀粉样疾病相关蛋白(α-synuclein,amyloid-βprotein和prionprotein)的保守序列,GAV-9肽,其氨基酸序列为NH2-VGGAVVAGV-CONH2。在高盐浓度条件下,它可以自组装成高度有序的、多层次的纳米纤维细丝,出人意料的是所有多肽分子直立的排列。原子力显微镜(AFM)原位观察和基于AFM纳米操纵实验强有力地证明,调整溶液的离子强度,可以控制GAV-9肽分子在垂直方向上直立堆叠形成多层的纳米结构,如盐离子(MgCl2)浓度在0mM时,GAV-9肽会组装成单层的直立纳米结构;在100mM时,GAV-9肽主要组装成双层直立纳米结构;到250mM时,GAV-9肽会组装成双层、三层、四层和更多层的直立纳米结构;分子动力学模拟揭示,由于各层多肽分子的微环境不同,GAV-9肽自组装成的多层直立自组装结构的各层多肽分子采取不同的β-sheet排列方式,第一层多肽分子采取平行的β-sheet排列方式(N端指向云母),而上层多肽分子采取反并行β-sheets排列方式,上层多肽分子通过和下层多肽分子的C端的CONH2基团形成氢键维持结构的稳定,疏水相互作用力也起到了非常重要的作用;同时,发现过量的阳离子降低了云母的负电性,减少了GAV-9肽的吸附位点,从而驱动GAV-9肽在第一层的上面自组装第二层而不是重新自组装成一个单层的纳米细丝。进一步的实验表明,GAV-9肽在云母/水界面自组装成多层直立结构是一个普遍现象,不同种类的盐都可以控制GAV-9肽的直立自组装。   淀粉样纤维是新颖纳米材料的一个优秀“候选人”,准确地描述淀粉样纤维的机械性能如杨氏模量,粘滞力等有助于更好地了解纤维的物理化学性能,深刻洞察其结构细节,了解其对应的生物背景,更好的协调其功能在生物医学,纳米技术和生物材料的应用。我们利用峰值力定量机械性能原子力显微镜(PeakForceQuantitativeNanoMechanicsAFM,PF-QNM)测量GAV-9肽自组装的单层和双层纳米纤维细丝的杨氏模量,实验结果表明,单层纳米细丝的杨氏模量为600±200MPa,然而,这个结果可能受到了衬底的影响,因为单层纳米细丝的高度只有约3nm高,测量值可能存在较大的误差。双层纳米细丝的杨氏模量可以被准确地测量,其杨氏模量为70±30MPa。
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