碳基纳米材料表面多肽折叠结构与调控的单分子水平研究

Carbon-based nanomaterials (CBNs) are ubiquitous in biomaterials and biomedical engineering research. Studies focused on the effect of hydrophobic CBN surfaces on protein folding provide insights into the mechanism of how CBNs influence the adsorption structure and subsequent function of proteins on CBNs. Polypeptides are constituents of proteins. In this project, we will first put efforts into the design of polypeptide sequences with preorganized secondary structures (alpha-helix, beta-sheet, random coil) in bulk solution. We will use graphene as a CBN model and investigate the designed polypeptide folding and assembly structures at the interface between water and graphene substrate by using scanning tunneling microscopy. This project will help us gain a molecular level understanding of how CBN surfaces modulate the intermolecular interactions that govern polypeptide folding via the comparison of bulk solution versus liquid/solid interface. The knowledge obtained from this project will lead us to a structural biology perspective on CBN nanotoxicity.

碳基纳米材料在医疗领域具有重要的应用潜力。碳材料具有强疏水性，其非极性表面吸附蛋白质分子而诱导其结构改变，是碳基纳米材料改变蛋白质分子功能的重要机制，但其中的分子过程尚未完全阐明。多肽是蛋白质的组成基元，本项目拟设计一系列在体相溶液中形成明确二级结构的多肽，以石墨烯作为模型碳基纳米材料，以扫描隧道显微技术为研究手段，解析吸附于液/固界面层的多肽的二级结构。通过对比多肽在体相溶液以及液/固界面层两种环境中二级结构的差异，在单分子水平揭示非极性表面对维系多肽折叠结构的非共价键作用的调控机制，从结构生物学角度更深入地理解碳基纳米材料对蛋白质分子产生的影响。

碳基纳米材料的非极性表面吸附蛋白质分子而诱导其结构改变，是碳基纳米材料调控蛋白质分子功能的重要机制，但其中的分子过程尚未解析清楚。本项目以在溶液中二级结构为alpha-螺旋（cc-Di、K-CC、PSMa3），beta-折叠（hIAPP 8-37、EAK16-IV、Abeta42、TDP-43蛋白341-357片段），以及无规卷曲（Arg9）的多肽分子作为研究对象，以高定向热裂解石墨表面模拟石墨烯疏水表面，利用扫描隧道显微技术（STM）在单分子水平探究碳基纳米材料表面吸附的多肽折叠构象与组装结构变化。通过对比液/固界面与体相溶液中肽链的构象变化，揭示了表面效应对不同折叠结构多肽分子的影响。发现非极性表面吸附的beta-折叠与beta-片层结构受表面调控效应影响不显著，液-固界面环境中肽链展示出接近于体相溶液环境中的折叠与组装结构；而非极性表面吸附的alpha-螺旋与无规卷曲结构受表面调控效应影响显著，液-固界面环境中肽链发生了向beta-片层的结构转变。研究结果展示了表面吸附对肽链折叠与组装结构的选择性调控效应。我们进一步使用STM探索了药物与标记分子ThT在beta-片层样hIAPP 8-37组装体表面的吸附结构，发现ThT以二聚、四聚、六聚等寡聚态存在，揭示了药物识别多肽组装体时的选择性寡聚化效应。此外通过对螺旋卷曲超二级结构的蛋白质开展点突变研究，发现螺旋卷曲超二级结构非极性域近端正电氨基酸的保守性与选择性。位于螺旋疏水结构域侧翼的近端阳离子残基（与非极性域间隔 < 1 nm）高度保守，而不与疏水域相邻的阳离子残基（与非极性域间隔 > 1 nm）保守性低。该结果表明近端阳离子和非极性结构域产生的疏水相互作用之间存在调控效应，表现出非加成性。通过该项目在Sci Adv等重要期刊上发表学术论文15篇，获得国家专利授权9项，培养硕士研究生3人。