多刺激响应九肽催产素凝胶化的分子水平洞察

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Molecular-Level Insights into Multi-Stimuli-Responsive Gelation of the Nonapeptide Oxytocin

　　

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  未经修饰的催产素能在正丙醇和异丙醇中形成自支撑凝胶。
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  适度的溶剂化和溶剂介导的氢键作用促成了凝胶化。
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  凝胶化动力学表现出依赖于溶剂和阶段的浓度标度关系。
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  加热会提高最低凝胶化浓度，而Ca²⁺则抑制凝胶化。

引言

近年来，基于肽的超分子凝胶因其优异的生物相容性、可编程的分子结构和多样的自组装能力而受到广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]。这些特性使得肽凝胶成为药物递送、注射疗法和响应性生物材料领域的有前景的平台，在这些领域中，对结构和功能的精确控制至关重要。在迄今为止报道的多种肽凝胶形成物中，绝大多数要么是超短线性肽（通常为二肽至四肽），要么是带有芳香基封端基团、芴甲氧羰基（Fmoc）基团或其他合成功能基团的化学修饰肽衍生物[5]、[6]、[7]、[8]。虽然这些体系为超分子组装原理提供了基础见解，但它们所代表的化学空间相对狭窄。相比之下，环肽构成了一个结构上截然不同的亚类，其构象刚性、受限的主链动力学和两亲性特征赋予了它们与线性对应物不同的组装性质。环状约束减少了构象自由度并预组织了分子间相互作用位点。尽管具有这些吸引人的属性，但与线性肽或化学修饰肽相比，天然存在的、化学未修饰的环肽作为潜在凝胶形成物受到的关注明显较少。除了肽的结构之外，溶剂环境也是超分子凝胶化的关键决定因素，因为它调节着肽-溶剂相互作用与肽-肽缔合之间的平衡。先前的研究表明，短肽可以在有机介质中形成凝胶[9]，并且醇类溶剂的分子结构、碳链长度和支化程度可以显著影响肽的自组装和凝胶形成[10]。因此，筛选不同的有机溶剂提供了一种受控的方法，用于探究溶剂介导的相互作用如何调节肽的缔合和宏观凝胶化。然而，天然存在的、化学未修饰的环肽是否具备内在的凝胶化能力，是否表现出溶剂选择性组装，以及它们的受限结构和溶剂介导的相互作用如何共同决定组装形貌和凝胶化机制，仍有待阐明。

催产素是一种著名的环状非肽激素（Cys¹–Tyr²–Ile³–Gln⁴–Asn⁵–Cys⁶–Pro⁷–Leu⁸–Gly⁹–NH?），在社会行为[11]、[12]、繁殖[13]、[14]和压力调节[15]、[16]中发挥着至关重要的作用。迄今为止，对催产素的研究主要集中在内分泌学和药理学方面，包括其生物活性[17]、受体相互作用[18]以及在水环境中的溶解度和稳定性[19]。然而，尽管催产素含有二硫键桥接的环状主链和多个可进行非共价相互作用的位点，但作为超分子自组装构建模块的潜力在很大程度上被忽视了。特别是，催产素是否具有内在的凝胶化能力，以及其热响应性和离子调控的组装行为，尚未得到系统研究。

在本研究中，我们报道了催产素在一系列有机溶剂中溶剂依赖的凝胶化行为。催产素在特定的醇中选择性地形成稳定的凝胶，且干燥后的凝胶展现出局部堆叠的片状特征。为了阐明其机制，我们将实验表征与分子模拟相结合。通过溶解度测定和溶剂化自由能计算来评估溶质-溶剂相互作用，利用分子静电势分析和氢键计算来识别主要的相互作用模式。分子动力学模拟和堆积能分析进一步揭示了优选的组装构型和方向依赖的催产素-溶剂相互作用，这些因素可能贡献了干燥凝胶中观察到的局部堆叠片状特征。此外，我们还研究了外界因素对凝胶化的影响。温度依赖性的研究表明，凝胶化对热条件高度敏感，反映了分子间相互作用与分子运动性之间的平衡。动力学分析揭示了浓度依赖的幂律行为，表明存在多个速率限制步骤。此外，发现钙离子通过强离子-肽相互作用破坏氢键网络并改变肽的构象从而抑制凝胶化。总体而言，本研究从宏观行为到分子层面的机制，提供了对催产素凝胶化的全面理解。

章节摘要

材料

催产素以非晶形式提供。本研究使用的催产素及其他化学品的详细信息见表1。

催产素凝胶化

在室温下，将过量的催产素加入到1.5 mL玻璃小瓶中的1.0 mL溶剂中，制备饱和催产素溶液。用螺旋盖密封小瓶，在恒温混浆器（MSC-100，北京佳源兴业科技有限公司）上以400 rpm搅拌12小时，随后静置12小时。

催产素凝胶化的发现

图1a显示了催产素在14种溶剂（甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、乙腈、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、正己烷、环己烷、甲苯和二氯甲烷）中的倒置测试。向每个小瓶中加入过量的催产素，确保所有14种溶剂均处于饱和条件。如图1a所示，仅在正丙醇和异丙醇中形成了倒置时不流动的固体状凝胶，而其余12种

结论

综上所述，本研究通过实验与计算相结合的方法，系统地阐明了催产素在有机溶剂中的凝胶化行为。在14种溶剂中，仅在正丙醇和异丙醇中发生凝胶化，这表明适当的溶解度是凝胶形成的前提。溶剂化自由能计算进一步证实这两种溶剂为催产素提供了有利的溶剂化环境。对截面的SEM观察

CRediT作者贡献声明

张向阳：论文撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、概念构思。李强：验证、软件、方法论。周晓洁：论文撰写——初稿、可视化、验证、调查、数据整理。陈启丹：可视化、软件、数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作由上海市自然科学基金（编号：23ZR1417100）资助。

周晓洁|陈启丹|李强|张向阳