程序化手性转移：种子导向共组装实现功能分子与淀粉样纤维框架的高效手性集成及强诱导圆二色活性

《Small》：Programmable Chirality Transfer: Seeding-Directed Co-Assembly of Functional Molecules With Amyloid Frameworks

　　

研究人员报道了一种高效且通用的策略，用于将小分子非手性功能分子与淀粉样纤维（amyloid fibrils）相连接，实现手性从手性淀粉样网络向超分子共组装体的高效转移。这种基于种子导向共组装（seeding-and-co-assembly）的方法，通过在持续进行的种子导向淀粉样形成过程中引入功能分子（如染料），使其以淀粉样框架为模板进行排列，同时通过抑制二次成核（secondary nucleation）来限制纤维形态多样性。手性转移通过显著的诱导电子圆二色（induced electronic circular dichroism, IECD）得以证实，其各向异性因子（anisotropy factor, g）高达1.3 × 10^?2（g_ECD）；此外还观察到异常强烈且此前未被报道的诱导振动圆二色（induced vibrational circular dichroism, IVCD），其g_VCD为1.5 × 10^?3。获得的手性既可能源于柔性分子在纤维表面的超分子有序排列，也可能源于较刚性色素分子嵌入淀粉样框架中。重要的是，该过程具有可调性：染料浓度和溶剂类型可作为程序化参数，调控所得组装体的层级组织（hierarchical organization）和手性光学性质。总体而言，该策略确立了淀粉样纤维作为多功能手性支架的地位，可用于合理设计具有强圆二色（circular dichroism, CD）和/或圆偏振发光（circularly polarized luminescence, CPL）的杂化纳米材料。

**研究背景与现存问题**

淀粉样纤维（amyloid fibrils）是蛋白质错误折叠与自组装形成的交叉β（cross-β）结构聚集体，传统上因其与阿尔茨海默病、帕金森病和Ⅱ型糖尿病等疾病的关联而受到生物医学领域的广泛关注。然而，随着功能性淀粉样蛋白的发现及其优异力学性能、生物相容性和可降解性的确认，淀粉样纤维在材料科学中的应用正成为一个快速发展的新兴方向。淀粉样纤维具有明确的层级结构，包括疏水沟槽以及带电基团和氢键基团的周期性排列，可通过共价或非共价相互作用结合多种化合物，从而实现功能化。其中，与发色团和荧光团的共组装是重要的功能化策略之一，典型的例子是硫黄素T（Thioflavin T）和刚果红（Congo Red, CR）对淀粉样沉积物的病理学染色。

淀粉样纤维一个独特的性质是其卓越的手性。在高度有序的层级结构中，手性从氨基酸的分子尺度一直延伸到超分子和介观尺度。这种手性可用于诱导原本非手性的发色团产生光学活性，从而为设计具有可见光区诱导圆二色（ICD）或圆偏振发光（CPL）的材料提供了可能。然而，尽管CPL在淀粉样材料中已受到较多关注，ICD在纳米传感、光学滤波、纳米级开关和加密等应用中的潜力仍在很大程度上被忽视。

淀粉样纤维的形成涉及多种机制的重叠，包括初级成核、二次成核、延伸和断裂。其中，二次成核是纤维形态多样性的主要来源。传统功能化策略通常采用纤维形成后再加入染料的后组装方式，该方法受限于染料结合效率低，难以实现高浓度的有序组装。因此，需要一种能够抑制二次成核、促进延伸和断裂主导的组装策略，从而提高染料结合的效率和有序性。

**研究内容与方法**

针对上述问题，研究人员提出了一种种子导向共组装（seeding-and-co-assembly）策略：在种子导向的淀粉样纤维形成过程中，将有机染料与预制淀粉样种子和蛋白质单体同时加入。该策略允许染料在聚集的不同阶段与蛋白质相互作用，促进其以淀粉样框架为模板的有序排列和紧密整合；同时，染料分子在纤维表面的非共价结合形成色素层，可阻碍二次成核，从而限制纤维形态多样性并促进延伸和断裂机制。

研究人员选择鸡蛋清溶菌酶（hen egg white lysozyme, HEWL）作为模型蛋白，在低pH和高温条件下制备淀粉样纤维；选用两种结构不同的染料——刚果红（CR）和玫瑰红（Rose Bengal, RB）作为功能分子，制备了蛋白质与染料摩尔比为1:1、1:4、1:10和1:50的四个模型体系。主要技术方法包括：透射电子显微镜（TEM）用于观察纤维形态；电子圆二色（ECD）光谱用于分析蛋白质二级结构；流动线性二色（linear dichroism, LD）光谱用于确定染料分子在纤维内的取向；振动圆二色（VCD）光谱用于表征纤维原丝水平的手性和诱导振动手性；同时结合量子化学（QM）计算辅助解释实验光谱的分子起源。所有样品溶液均以水或水/DMSO（体积比4:1）为介质制备。

**结果与讨论**

**2.1 功能化淀粉样纤维的制备与结构完整性**

TEM图像显示，在染料存在下蛋白质成功转化为纤维状结构。高CR浓度（1:4）条件下获得的纤维明显较短且出现显著网络化，而RB功能化纤维形态变化不大。紫外ECD光谱表明，低染料含量（1:1）时纤维的β-折叠二级结构未被破坏；高CR浓度（1:4）时出现平行β-折叠含量增加至近50%的信号变化，表明超分子有序度提高。总体而言，CR和RB的存在均未破坏纤维的核心二级结构。

**2.2 线性二色揭示染料在纤维内的结合与取向**

流动LD光谱显示，功能化纤维在染料吸收区（300–700 nm）出现非零LD信号，而游离染料不产生LD信号，证实染料确实结合并沿纤维排列。结合量子化学计算确定的跃迁偶极方向，两种染料的LD信号均为正，表明CR和RB的长轴均优先平行于纤维轴排列，这与CR与淀粉样纤维结合的主要模式一致。

**2.3 浓度依赖性诱导电子圆二色（IECD）**

在可见光区，CR功能化纤维在1:1比例时显示负IECD信号，而在1:4比例时出现正信号和激子耦合对（exciton couplet），且信号强度约为1:1体系的10倍，g_ECD值从约2.4 × 10^?4增至约1.5 × 10^?3。量子化学计算表明，1:4体系的IECD信号无法由单分子构象选择解释，而主要来源于紧密排列的发色团之间的激子耦合。对于RB体系，1:1和1:4样品的IECD信号均为以582 nm为中心的负峰，g_ECD值分别为约2.0 × 10^?4和6.6 × 10^?4，信号增强较弱且无激子耦合特征，表明RB的手性诱导主要来自纤维结合位点施加的局域扭曲构象。对照实验证实，天然溶菌酶与染料孵育不产生可见光区CD信号，排除了非淀粉样结合的可能。

**2.4 溶剂驱动的CR-淀粉样体系IECD放大**

当CR以DMSO溶液引入并共孵育时（水:DMSO = 4:1，1:4比例），IECD信号出现显著放大，g_ECD达到约1.3 × 10^?2，比纯水体系高一个数量级。TEM显示此时形成致密的纤维束高级超结构。DMSO抑制了CR在水中的预聚集，使其更均匀地结合纤维表面并充当纤维间交联剂，由此形成紧密排列的发色团阵列，产生强烈的激子耦合。1:1比例及无染料对照均未出现类似增强，表明该效应是溶剂与染料浓度协同作用的结果。RB体系在相同DMSO条件下未出现显著变化，因其刚性和体积较大的结构不利于纤维间桥接和长程组装。

**2.5 淀粉样-RB复合物的诱导振动圆二色（IVCD）**

VCD光谱在酰胺I区显示出典型的淀粉样纤维增强信号，表明染料引入未改变原丝水平的纤维构象。意外的是，RB功能化纤维的VCD光谱在1450–1335 cm^?1范围内出现了诱导振动圆二色（IVCD）信号，与RB分子的C-O伸缩和芳香环面内弯曲振动模式一致，g_VCD约为1.5 × 10^?3。量子化学计算表明，当RB的苯基相对于呫吨环旋转时会在该区域产生VCD信号。这是首次在淀粉样-染料体系中报道此类诱导VCD现象，表明手性在分子水平上通过明确的结合几何实现了高效转移。

**2.6 手性诱导的分子与超分子起源**

综合数据表明，CR和RB体系各自具有不同的手性诱导机制。CR体系以超分子激子耦合为主导，手性响应由层级组织程度控制，IECD强度随1:1（DMSO）→1:4（水）→1:4（DMSO）的序列递增，与TEM观察到的纤维束化和高级结构形成相一致。RB体系则以局域手性转移为主导，染料分子在纤维结合位点被限制为扭曲构象，产生窄且非激子型的IECD信号，并伴随特征IVCD的出现。两种染料的结构差异——CR的柔性延长结构利于堆叠和激子耦合，RB的刚性紧凑结构利于局域构象固定——决定了各自的手性传递路径。种子导向共组装策略是实现上述效应关键：对照实验显示后组装方式导致显著较低的染料有序度且缺乏激子耦合；而共组装体系的IECD信号在42天后仍保持不变，且该方法对姜黄素、尼罗红和四（4-羧基苯基）卟啉（TCPP）等多种不同结构和尺寸的染料均具有普适性。

**总结与意义**

研究人员证明了淀粉样纤维可作为模板，通过种子导向共组装策略在非手性分子中诱导和放大异常强烈的手性光学活性。该策略有效克服了传统后组装方式的局限性，实现了高浓度染料的有序排列和信号增强。研究进一步揭示了手性诱导是局域构象效应与超分子有序化的协同结果，并建立了层级组织与手性光学响应之间的直接关联。特别值得关注的是，此前尚未报道过如此强度的IVCD信号。该研究将淀粉样纤维确立为可调谐的手性平台，通过种子调控、染料浓度和溶剂参数实现手性光学活性的程序化放大，为设计具有定制性能的仿生手性光学杂化材料奠定了基础，在 chiral sensing（手性传感）、纳米级开关和信息加密等领域具有潜在应用前景。该论文发表于《Small》。