以色列特拉维夫大学 Ehud Gazit团队 Adv. Mater.: 仿细菌的肽-金属自支撑纳米复合材料的电导率、选择性粘附和生物相容性

【引言】

细菌IV型菌毛 (T4P)是主要由菌毛蛋白单体组成的具有多种生物学作用的聚合蛋白纳米纤维。在具有金属还原性的硫还原地杆菌（GS）中，T4P通过促进与细胞外金属物质的物理接触和随后的电子转移而参与无氧呼吸。虽然这种相互作用的分子机制和GS T4P的确切结构都是未知的，但是已有证据表明物理接触是由GS菌毛蛋白单体的可变极性C-末端区域介导的。

鉴于GS T4P独特的生物学性能，那么它们的生物合成肽模拟物是否也是一类有用的生物材料呢？通过设计20聚体肽结构单元自组装成T4P样纳米纤维，研究其结构发现C-末端片段采用天然的螺旋构象，且对于自组装是非必需的，然而其N-末端片段却呈现出不同的β型构象并驱动自组装过程。虽然从结构方面研究了20聚体的 T4P类纳米纤维，但是尚未探索它们的功能。同时，由于天然GS T4P与金属氧化物颗粒和金属离子存在固有的相互作用，那么T4P类肽纳米纤维是否也会发生类似的相互作用？虽然先前已有报道蛋白质纤维和金属物种之间的相互作用，但是并不是直接受到天然生物系统的启发。此外，之前的研究通常是通过多步工艺或使用外源添加剂来实现单纳米级的实质性修饰。

【成果简介】

最近，以色列特拉维夫大学的Ehud Gazit教授（通讯作者）等人报道了T4P类肽纳米纤维可以有效地结合金属氧化物颗粒并还原Au离子，以此产生多功能和多功能的肽-金属纳米复合物。为了解释与Au离子的相互作用，利用实验和计算方法相组合对纳米纤维的异常致密的Au纳米颗粒(AuNPs)修饰形成的机理进行研究。形成的肽-AuNPs纳米复合材料热稳定性增强，并从单纤维水平向上的导电性和基底进行选择性的粘附。制备的肽-AuNPs纳米复合材料可以作为可重复使用的催化涂层或形成具有所需形状的自支撑浸渍膜。薄膜支架与心肌细胞组装成同步贴片，并在宏观尺度上呈现静电荷检测能力。该研究提出了一种新型仿T4P的生物金属材料。研究成果以题为“Electrical Conductivity, Selective Adhesion, and Biocompatibility in Bacteria-Inspired Peptide–Metal Self-Supporting Nanocomposites”发布在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文解读】

图一、研究工作范围

受到GS T4P与金属氧化物和金属离子的天然相互作用的启发，探索了这些物质与T4P类自组装肽纳米纤维之间的类似相互作用。研究了金属氧化物与纳米纤维的结合，以及后者还原离子Au的能力。通过纳米纤维的离子Au还原过程以可控的方式形成肽-AuNPs纳米复合材料。由于其基质选择性粘附和导电性，肽-AuNPs纳米复合材料被用于化学催化、静电荷检测和心脏组织支架应用。

图二、氧化物颗粒与肽纳米纤维的结合
（a）纳米纤维分散体、氧化物颗粒的不同分散体和肽纳米纤维-氧化物混合物的照片；

（b）对应于图（a）的液体大块样品的紫外-可见光谱；

（c）对应于（a）的纳米纤维-氧化物混合物的发光样品的TEM图像；

（d）肽纳米纤维和氧化物颗粒的电泳迁移率。

图三、肽-AuNPs纳米复合材料的表征
（a）90 ℃温育的肽纳米纤维和HAuCl₄混合物的照片；

（b）AuNPs修饰的纳米纤维的TEM图像，从0.2，0.075和0.015体积分数条件（从左到右）；

（c）单个修饰的纳米纤维的TEM图像分析，用于估计AuNPs的覆盖率；

（d）20聚体肽的最低靶功能NMR结构以及80 ns后通过MD模拟的简单纳米纤维模型；

（e）在9 ns后通过MD模拟AuNPs (直径10 nm)与纳米纤维的结合；

（f）浊度区域绘图显示HAuCl₄对肽纳米纤维的热稳定性。

图四、肽-AuNPs纳米复合物的物理性质
（a）左图：来自稀疏(黑色)、中度（红色）和密集（紫色）装饰条件的单个纳米纤维的CP-AFM测量；

（b）在0.1 M磷酸盐-柠檬酸盐缓冲液 (pH = 7.0)中，来自稀疏（黑色）、中度（红色）和致密（紫色）装饰条件的厚度归一化纳米纤维膜的温度依赖性电导率；

（c）1.5 cm长的密集装饰纳米纤维片的照片，允许激活串联连接的LED；

（d）单个纳米纤维的EFM相移来自沉积在玻璃（顶部）或Au（底部）表面上的稀疏（黑色）、中等（红色）和致密（紫色）装饰条件；

（e）密集装饰的纳米纤维膜与水中各种基质材料的粘附性；

（f）具有形状侧或直径为1 cm（顶部）的密集装饰的纳米纤维的水浸的自支撑膜的照片以及在转移到基底和脱水（底部）之后的相应的SEM-EDX图像和元素图；

（g）CSLM测量的密集装饰的纳米纤维膜（n = 3 薄膜）的平均厚度轮廓。

图五、肽-AuNPs纳米复合材料的应用
（a）左：在硅橡胶表面上存在纳米纤维涂层的情况下，4-硝基苯酚催化还原为4-氨基苯酚的时间依赖性UV-可见光谱；

（b）左图：基于纳米纤维膜的静电荷检测器的照片；

（c）培养5天后与心脏细胞一起培养的圆形纳米纤维薄膜的光学显微镜图像系列；

（d）在圆形纳米纤维膜上培养的心肌细胞中免疫染色的心脏肌节肌动蛋白（紫色）、连接蛋白43（绿色）和细胞核（蓝色）的CSLM荧光图像；

（e）左：荧光显微镜图像显示用于钙瞬态成像的数据量化的感兴趣区域。

【小结】

综上所述，首次提出了最近报道的T4P样肽纳米纤维的多功能性。这些设计的自组装纳米结构与金属氧化物或离子的仿生相互作用产生高度多样化的纳米复合材料。由于AuNPs的易修饰性，其形成的简单性以及不需要使用诸如还原剂的外部添加剂，与Au离子的相互作用尤其显着。组合的肽-AuNPs材料呈现出有吸引力的功能特性，其包括来自单纳米级水平的导电性和基底选择性粘附。后一种性质允许形成宏观的纤维素，其可以用作涂层或直接以其极薄的自由形式使用。薄膜制剂制备非常简单且是单步绿色化学制备，浸没后观察到自支撑和保持完整性，即使在嵌入无机材料或增加的膜厚度之后也是如此，组合的肽-AuNPs材料可以成功地用于几种截然不同的应用中 。相信未来混合材料可以用于微电子电路、传感器制造或者与用于生物医学的电响应组织集成。

文献链接：Electrical Conductivity, Selective Adhesion, and Biocompatibility in Bacteria-Inspired Peptide-Metal Self-Supporting Nanocomposites（Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201807285）

本文由材料人高生组的小胖纸编译，材料人整理。

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