动态螺旋β-肽的可切换手性自组装构建多功能金属-肽框架及其手性识别应用

《Nature Communications》：Assembly of dynamic helical β-peptides with switchable handedness into multiple types of metal-peptide frameworks

本研究报道了基于动态12/10螺旋β-五肽的金属-肽框架(MPFs)可控组装新策略。研究人员通过溶剂调控实现了β-肽手性反转，成功构建了三种不同类型的银离子配位框架(Ag-1M、Ag-1P和Ag-rac-1PM)，并证明通过理性肽设计可调控孔道环境。特别值得注意的是，含有极性N-乙酰氮杂环的MPF(Ag-5M)能够通过后结晶过程实现对3-甲基环己酮的手性识别，为手性分离材料开发提供了新思路。

　　

在超分子化学与材料科学交叉领域，金属-有机框架(MOFs)的研究已取得显著进展，但基于生物启发肽的金属-肽框架(metal-peptide frameworks, MPFs)尤其是具有动态特性的螺旋肽构建块仍待深入探索。螺旋结构作为天然蛋白质和合成肽中最丰富的二级结构，为构建层次化组装体提供了理想平台。传统金属-螺旋框架(metal-helix frameworks, MHFs)通常由单一手性均手性残基组成，其螺旋指向性由骨架碳原子手性决定，难以实现手性切换。相比之下，含有交替手性残基的DL-肽（如gramicidin A）可采取多种螺旋构象，但这类动态螺旋肽在肽基框架构建中的应用尚未充分开发。

本研究的关键创新点在于利用具有可切换手性的12/10螺旋β-五肽作为构建块，通过精确控制螺旋指向性，实现了多种金属-肽框架的可控组装。配体1由交替手性的顺式-2-氨基环庚烷羧酸(cis-2-aminocycloheptanecarboxylic acid, cis-ACHpC)组成，表现出溶剂依赖的螺旋指向偏好：在质子性溶剂中为(P)-螺旋，在非质子性溶剂中为(M)-螺旋。这两种螺旋构象并非对映体，因此能够组装成两种不同的MPFs。

研究人员采用三重分层结晶法，通过调控溶剂条件成功获得了三种不同的银配位框架：来自(M)-螺旋构象的Ag-1M、来自(P)-螺旋构象的Ag-1P以及来自外消旋配体混合物的Ag-rac-1PM。结构分析表明，Ag-1M形成二维层状结构具有六方孔道，而Ag-1P则通过右旋反平行双螺旋交织形成多孔架构。特别有趣的是，外消旋混合物组装产生的Ag-rac-1PM框架虽然结构与单一对映体框架相似，但孔道手性环境因对映体的对称排列而具有镜面对称性。

为了验证框架结构的可重构性，研究团队设计了一系列修饰配体(2-5)，通过替换中心残基实现了MPF类型的可控组装。配体2含cis-ACHC残基，组装成与Ag-1P结构类似的Ag-2P；配体3和4分别含有4-甲基取代的cis,cis-mACHC和cis,trans-mACHC残基，其螺旋指向被锁定，分别专一性地形成Ag-3M和Ag-4P框架。这一结果表明通过合理的肽设计可实现MPF类型的精确控制。

本研究最重要的应用展示是MPF作为晶体海绵(crystalline sponge)在手性识别中的应用。配体5通过将中心cis-ACHpC替换为N-乙酰化的顺式-5-氨基氮杂环庚烷-4-羧酸(cis-5-aminoazepane-4-carboxylic acid, cis-AAzC)，在保持12/10螺旋折叠的同时引入了极性官能团。Ag-5M框架成功实现了对3-甲基环己酮的对映选择性识别，其中Ag-5M专一性包结(3R)-对映体，而其镜像框架Ag-ent-5P则选择性包结(3S)-对映体。这种手性识别能力源于肽螺旋沟槽与客体分子之间的立体匹配，为手性分离材料设计提供了新范式。

关键技术方法包括：β-肽的固相合成与溶液相偶联策略、圆二色谱(CD)构象分析、三重分层结晶技术、单晶X射线衍射结构解析（使用同步辐射光源，λ=0.700000 ?）、晶体海绵后结晶客体包结实验等。所有配体均通过标准EDCI或HBTU介导的偶联方法制备，晶体结构在100K下收集，使用SQUEEZE程序处理无序溶剂分子和抗衡离子。

金属-螺旋框架从1的(M)-螺旋构象组装

通过甲醇/硝基甲烷溶剂体系成功结晶获得Ag-1M。不对称单元包含一个采取(M)-12/10螺旋构象的1分子，其螺旋轴均位于ab平面。两端4-吡啶基以175°角与银原子配位，形成一维配位聚合物链。相邻链通过银-银argentophilic相互作用（距离3.47?和3.69?）和π-π相互作用互锁，结合N末端基团间的分子间氢键，形成具有六方孔道的二维层状结构。沿c轴观察显示蜂窝状通道，沿b轴存在直径约7?的通道状孔隙。

金属-螺旋框架从1的(P)-螺旋构象组装

通过叔丁醇/水溶剂体系获得Ag-1P晶体结构。1采取(P)-12/10螺旋构象，但非对映体性质导致其组装模式与Ag-1M显著不同。相邻银配位聚合物链沿c轴缠绕形成右旋反平行双螺旋，通过六氟磷酸根离子桥沿b轴连接形成二维多孔层。相邻层沿a轴紧密堆积，形成直径约16?的圆形孔道结构，沿b轴观察可见直径约13?的通道状结构。

具有1对映体的金属-螺旋框架

合成1的对映体ent-1，在相同结晶条件下获得Ag-1P的镜像结构Ag-ent-1M，其中ent-1采取对映的(M)-螺旋构象，证实了这些对映体MHF的高度可重现性和可调手性。

从1和ent-1的外消旋混合物组装的金属-螺旋框架

外消旋rac-1在结晶条件下形成第三种MHF(Ag-rac-1PM)。晶体结构中1和ent-1分别采取(P)-和(M)-螺旋构象，在一维配位聚合物链中交替排列。相邻链通过六氟磷酸根桥连接形成多孔层，这些层以约30°角顺时针和逆时针倾斜，通过额外银原子间的六氟磷酸根桥交联，最终形成具有两种通道状结构的三维多孔架构。

通过配体修饰选择性重构预定义MHF架构

配体2-4通过替换中心残基成功重构了两种MHF类型。Ag-2P与Ag-1P结构类似，Ag-3M和Ag-1M结构高度一致，Ag-4P与Ag-1P和Ag-2P可比。这些结果证明通过配体修饰和螺旋手性控制可重现性重构MHF架构，为调控MHF类型和孔道环境奠定了基础。

MHF作为手性识别多孔材料

Ag-5M作为晶体海绵平台，在不依赖永久孔隙率的情况下，通过后结晶过程实现对3-甲基环己酮的对映选择性识别。Ag-5M专一性包结(3R)-对映体(70%化学占有率)，而对映框架Ag-ent-5P选择性包结(3S)-对映体。手性识别机制源于螺旋沟槽与客体甲基基团的立体匹配。

研究结论与讨论部分强调，12/10螺旋β-五肽1可通过控制动态肽配体的螺旋手性组装成两种不同的多孔MHF。Ag-1P和Ag-1M之间的结构差异源于1的两种相反手性12/10螺旋构象的非对映体性质。与传统动态螺旋肽不同，1的非对映体螺旋构象在两端表现出不同的非共价相互作用，导致形成两种不同的MHF。通过中心残基替换的配体修饰可保持螺旋倾向性但改变螺旋指向偏好，从而决定所得MHF类型。作为潜在应用，修饰MHF(Ag-5M)作为晶体海绵的功能展示了肽基多孔材料在手性识别中的应用潜力。这些MHF结构不仅作为功能应用的多孔支架，更有助于深入理解金属导向的肽组装过程，该过程因非共价相互作用的复杂性而难以预测。

该研究的创新性在于首次将动态螺旋β-肽的可切换手性特性与金属-肽框架构建相结合，建立了螺旋手性-组装结构-功能应用之间的内在联系，为智能手性材料设计提供了新思路。论文发表于《Nature Communications》期刊，展示了在超分子化学、肽工程和材料科学交叉领域的重要进展。