作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 用于承载的分子水平上金属离子配位相互作用的协同性工程、结合常数和分子机制
(一)单配体形成的金属离子配位络合物(PH1，左)是动态的、弱的
当形成由多个配体(PH3，中间)组成的金属螯合位点时，金属离子结合变得比单个配体更强且更不活跃
此外，当串联排列两个金属螯合位点(PH6，右)时，由于两个位点之间的协同作用，结合亲和力、机械强度和结合速率可以得到改善
(乙至丁)PH1(左)、PH3(中)和PH1(右)肽与氯化锌在1 M tris缓冲液(pH 7)中的ITC滴定数据
60，含300毫米KCl)
PH3和突变的PH3肽的Zn2+结合常数
突变的氨基酸用红色突出显示
误差线代表拟合误差
PH6和突变的PH6肽的Zn2+结合常数
对于PH6的两个结合位点，左和右面板对应于Ka1和Ka2
只有PH6和(GHHGH)2肽显示出两个结合常数
其余的肽显示出单位点结合特征
误差线代表拟合误差
(G) PH1的(G至J)镉光谱:GGH；(H)PH3:GHHPH；(一)PH6:(GHHPH)2；和(J) (GHHGH)2肽
PH1和PH3的PPII结构的相对含量为9
6和34
假设PH6-Zn2+复合物显示100% PPII螺旋结构，基于205纳米处的主要CD峰的高度，为2%
PH6协同Zn2+结合机制示意图
第一个配位位置的构象变化导致第二个配位位置的结构变化为更有利于Zn2+结合的构象
不适用
学分:科学进步，doi: 10
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aaz9531 承重组织如肌肉和软骨通常表现出高弹性、韧性和快速恢复率
然而，在实验室中结合这些机械性能来构建合成生物材料从根本上来说是具有挑战性的
在《科学进展》杂志上发表的一项新研究中，孙和中国的一个物理、工程力学和智能设备研究团队开发了一种强有力、坚韧且快速恢复的水凝胶
该团队利用具有协同动态相互作用的交联剂设计了这种材料
他们设计了一种富含组氨酸的十肽(10个氨基酸链)，含有两个串联的(连续的)锌结合基序，与单一结合蛋白基序或分离的配体蛋白相比，有利于构建体的热力学稳定性、更强的结合强度和更快的结合速率
具有肽锌复合物的工程化杂化网络水凝胶显示出高稳定性、韧性和在数秒内快速恢复
该研究小组希望该支架能够有效地管理承重组织工程应用，并作为软机器人的构件
新的结果为在分子水平上调节水凝胶的力学和动力学性质提供了一条通用的途径
当我们走路时，我们的肌肉、软骨和肌腱受到相当大的机械负荷，但生物组织可以快速恢复，在许多机械循环中可靠地发挥作用
生物工程学家已经探索了具有类似肌肉的机械特性的软水凝胶作为生物力学执行器、合成软骨、人造肌肉、离子皮肤以及软机器人
他们通过引入特殊的能量耗散机制，致力于提高水凝胶的机械强度和韧性
除了机械强度和韧性之外，快速恢复也是承重软组织的一个独特特征，但是合成水凝胶仍然缺乏快速恢复的机制
例如，以短聚合物链作为牺牲网络的传统双网络或混合网络(HN)水凝胶通常不能很快恢复——通常需要几分钟到几天
水凝胶的强度取决于其交联剂的寿命，其中缓慢的结合/解结合动力学导致强水凝胶，而快速的交换速率产生软水凝胶
为了获得高强度和韧性，交联剂必须是缓慢的，但是为了实现快速恢复，交联剂必须是动态的，具有高的缔合和解离速率
为了克服这一矛盾，自然产生的承重材料利用弱相互作用的协同性
在这项工作中，孙等人
类似工程化的杂化网络(HN)水凝胶，具有特别设计的肽-金属复合物作为物理交联剂
该团队在肽序列中形成了有效的金属结合位点，从而设计出具有必要特性的水凝胶
筛目尺寸、溶胶/凝胶分数以及结合到水凝胶网络中的肽的实际百分比
在添加Zn2+离子之前，HN-PH1凝胶、HN-PH3凝胶和HN-PH3凝胶的扫描电镜图像
使用ImageJ软件从扫描电镜图像中估算的HNPH1凝胶、HN-PH3凝胶和HN-PH6凝胶的粒度分布
在没有Zn2+离子的情况下，HN-聚羟基乙酸凝胶的平均网孔尺寸
在加入锌之前，不同HN-磷酸氢盐凝胶的溶胶/凝胶级分
(1)水凝胶网络中结合的肽的百分比
初始肽浓度为0
3 M，0
10 M和0
PH1、PH3和PH6分别为05 M
结合在水凝胶中的肽的百分比是相似的，通过从使用的总量中减去洗脱的肽的部分来估计
误差线表示平均值
D
NS:p >；0
05
学分:科学进步，doi: 10
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aaz9531 该团队首先设计了三种富含组氨酸的短肽作为配体，与锌离子结合，构建了HN水凝胶
他们根据相连的组氨酸数量将肽序列命名为PH1、PH3和PH6
孙等
用固相肽合成法合成肽，并用高效液相色谱法纯化
他们用紫外和拉曼光谱观察了Zn2+组氨酸配合物的形成
与序列上带有随机组氨酸残基的肽相比，特别设计的肽序列允许协同和合作的Zn2+结合亲和力
科学家们利用圆二色性研究了锌离子与PH6协同结合的分子机制，结果表明PH6第一个配位位置的共形变化对协同结合至关重要，并显示了结构变化如何有利于额外的Zn2+结合
金属离子配合物的单分子力谱
(一)基于原子力显微镜的单分子力光谱实验示意图
肽配体通过聚乙二醇接头(分子量，5千道尔顿)连接到悬臂顶端和底物上
(从B到D)在1000nm S1的牵引速度下PH1-Zn2+(红色)、PH3-Zn2+(蓝色)和PH6-Zn2+(黑色)复合物破裂的典型力-延伸曲线
力-延伸曲线(黑线)的蠕虫状链拟合证实了在约50纳米的延伸处的峰对应于单个金属离子螯合键的断裂
PH1-Zn2+(红色)、PH3-Zn2+(蓝色)和PH6-Zn2+(黑色)的破裂力直方图
高斯拟合显示平均破裂力分别为90 29、87 24和135 41皮尼
插图中显示了三种肽的Zn2+离子结合模式
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aaz9531 孙等
使用先进的技术，如基于原子力显微镜(AFM)的单分子力光谱学(SMFs)来测量HR-肽-Zn2+复合物I的机械稳定性
e
分子水平上水凝胶的交联剂
与其他类型的水凝胶相比，PH6的平均断裂力要高得多，这证实了水凝胶的韧性
结果表明，基于结合位点，金属-配体复合物的机械稳定性可以显著提高
研究小组通过制备一系列杂化网络(HN)水凝胶，探索交联剂内在性质的变化是否会改变水凝胶的宏观力学性质
他们在构建物中使用HR-肽-Zn2+作为牺牲交联剂，共价键作为永久交联剂，并根据所用的肽序列将所得水凝胶命名为HN-PH1、HN-PH3和HN-PH6
三种水凝胶的网络结构相似，但HN-PH6凝胶比其他凝胶更易压缩，同时在压力机械环境下也能有效发挥作用
有趣的是，科学家们甚至可以将HN-PH6水凝胶扭曲成螺旋形，用锋利的刀片压缩材料，而不会造成永久性损伤
用锋利的刀片挤压HN-PH6水凝胶不会损坏材料
学分:科学进步，doi: 10
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aaz9531 该团队对凝胶进行了拉伸力学测试，并将整体水平的结果与分子水平的结果进行了关联，以显示HN-PH6凝胶显著更高的断裂应变、杨氏模量和韧性
孙等
然后基于加载-卸载循环检查材料的恢复性能，发现HN-PH6凝胶在几分钟内几乎完全恢复其宏观机械性能
然而，如果他们把HN-PH6凝胶切成碎片，水凝胶不能自愈合，因为共价交联剂在断裂后不会重新形成
为了了解实验结果，研究小组还进行了理论分析，并提出协同锌结合在PH6上是一个重要因素，在其他因素中形成具有快速恢复率的强而坚韧的水凝胶
肽-Zn2+配合物交联的HN-PHn HN水凝胶的结构与性能
(一)HN-聚羟基乙酸水凝胶网络结构示意图
该网络包括作为主要交联剂的共价键和作为次要交联剂的配体-金属相互作用
HN-PH1(上)、HN-PH3(中)和HN-PH6(下)水凝胶在压缩-松弛循环下的光学图像
HN-PH1和HN-PH3凝胶破裂，而HN-PH6凝胶几乎完全恢复
HN-PH6凝胶在极端压缩条件下的光学图像。70%应变，100次，1
6赫兹)
(四)HN-PH6凝胶在极端拉伸条件下的光学图像(拉伸至> 100)；150%应变，100次，1
6赫兹)
(五)扭曲成螺旋状的HN-PH6凝胶的光学图像
HN-PH6凝胶的光学图像用锋利的刀片压缩并放松
在凝胶上没有观察到可检测的切口
聚丙烯酰胺
摄影学分:孙，南京大学
学分:科学进步，doi: 10
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aaz9531 通过这种方式，孙和他的同事开发了一种新型水凝胶材料，由生物体内发现的组氨酸残基组成的天然承重材料
由于无法有效利用天然蛋白质编码的独特金属离子结合特性，在实验室中结合如此出色的机械性能仍然是一项挑战
在这项工作中，孙等人
使用生物激发的Zn2+结合肽作为交联剂，在分子水平上形成所需的水凝胶，突出了材料合成过程中协同金属配位的重要性
他们打算在进行组织工程的实际应用之前，检查附加的机械特征，例如与其他组织的粘附
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