中空柱状病毒衣壳蛋白指导的纳米粒子超结构精准组装

Precise and controllable self-assembly of nanoscale motif is an effective strategy for constructing functional nanomaterials. Due to the inherent precious self-assembly, Proteins show promising prospect in guiding the high-organized arrangement of nanoparticle. However, the structural and chemical diversity makes the coordination between protein and protein or protein and nano-object still challenging, which requires a generality strategy to further improve the controllability of nano-object assembly. In this project, we would utilize a cylinder-shaped hollow tobacco mosaic virus coat protein as the vehicle of nanoparticle. The site-special functionalization enables the protein immobilizing the nanoparticle and thus realizes the formation of the protein-NP complex which would be further guided to assemble into hierarchical and high-order structures. Furthermore, even the binary nanoparticle architectures can be achieved through controlling the assembly process. This project shows a strategy of high-effectively controlling precise arrangement of nano-object via incorporated with a protein-vehicle, which not only provides a new route to design and assemble hierarchical architectures, but also propels the utility of protein in the construction of functional materials.

纳米基元在空间上精准可控的组装是构筑新型功能纳米材料的有效途径。生物大分子蛋白质因其与生俱来的自组装特性，在引导纳米粒子组装上展现出迷人的潜力。然而，蛋白质复杂的结构和理化性质使得蛋白与纳米客体之间相互作用的调控仍是一个巨大的挑战。如何基于蛋白实现纳米单元在空间上更加有效地操纵还有待进一步研究。本项目拟利用烟草花叶病毒衣壳蛋白独特的中空柱状结构作为特殊载体，通过预先定点功能化，特异性结合功能纳米粒子，形成蛋白-粒子复合基元；利用蛋白载体可调、可控的自组装特性进一步引导复合基元进行定向组装，实现粒子多层次、高度有序超结构构筑。并且，通过调控粒子成分，实现性能可调的二元甚至多元的复合体系的构建。本项目提出利用蛋白质作为纳米基元特殊载体，从而将蛋白精准可控的自组装能力赋予纳米客体，为功能纳米超结构的构建提供全新的思路，也将拓展生物大分子蛋白在功能复合材料设计中的运用。

生物大分子蛋白自因其结构丰富，功能独特，具备精准自组装的能力，在纳米材料构筑中广受关注。利用蛋白质丰富的结构优势，通过理性的修饰或功能化，使蛋白成为预先设计模板，从而引导无机盐离子或纳米颗粒定向沉积生长或组装的能力，从而形成预先定义的纳米材料。烟草花叶病毒（Tobacco mosaic virus，TMV）是人类最早发现及研究的棒状病毒。其外壳蛋白可通过调控外界条件（pH值和盐离子溶度）定向组装成中空磁盘装结构（TMV disk）、中空棒状结构（TMV rod）和微米级蛋白纤维（TMV wire）三种结构。基于此特点，我们做了以下2个工作：. 1. 我们在中空TMV disk内腔表面引入巯基，利用巯基-金属间强结合力，复合金颗粒或半导体量子点，形成蛋白-无机颗粒复合体。通过调控组装条件，实现其纵向精准组装。根据此方案，基于中空短柱状结构的TMV disk作为引导模板，通过预先在蛋白模板内控引入功能基团，将不同的功能纳米粒子（包括AuNPs和Ag2S 量子点）与之相结合。再利用其具有自组装的能力，实现功能纳米粒子的纵向组装，形成均一的长度达微米级的高度有序的无机纳米粒子阵列。通过在所形成的的金粒子串中加入金离子。此外，我们还展示了双功能纳米粒子的杂化组装，提供一种多功能材料组合的新策略。. 2. 中空超长蛋白纤维其内外表面具有丰富的基团（-COO-/NH4/-OH等），是无机盐离子附着沉积的优良场所。结合独特的中空细长形貌，通过原位成核生长，实现单/双金属纳米线的制备。根据此方案，贵金属Pt/Pd在TMV蛋白线表面原位生长密集细小的纳米颗粒，直径约为1-3 nm，组成一维的纳米链。另外，利用TMV纤维空腔限制效应，借助PVP表面配体辅助，高效合成高长径比的Pd纳米线，其直径约5 nm，长度可达几微米。实验证实，此类以小尺寸颗粒构成的纳米链和高长径比的纳米线具有高效类过氧化酶活性，可用于胆固醇的体外检查。