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复旦大学黎占亭团队JACS:可以包合并传递蛋白质_东北大学研究生院

作者: 高校信息网 发布时间: 2020年03月16日 11:43:52

近日,复旦大学黎占亭教授、周伟副教授、张运昌团队以半刚性四阳离子四醛和四个柔性二酰肼为原料,合成了四种水溶性腙基三维柔性有机框架FOF-1-4。1H NMR谱图显示了重水中FOF-1-4的形成,动态光散射实验表明,这些多孔骨架的水动力直径在50-120 nm之间,随浓度的变化而变化。新的水溶性骨架具有较低的细胞毒性,并形成直径为5.3或6.7 nm的固有孔隙,使牛血清白蛋白、绿色和橙色荧光蛋白等蛋白质能够快速包合,并能有效地将蛋白质输送到正常细胞和癌细胞中,所输送的细胞百分率高达99.8 %。(DOI:10.1021/jacs.9b13263)

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复旦大学黎占亭团队JACS:可以包合并传递蛋白质_东北大学研究生院

多孔聚合物在分离、催化、包合和输送等方面具有巨大应用潜力,且三维聚合物由于其固有的网络化倾向,在结构上是多孔材料设计的理想材料。自 20 世纪 40 年代 Flory 开创性的理论研究以来,许多三维聚合物是由柔性单体制备的,具有固有纳米级孔的水溶性三维聚合物是 DNA 和蛋白质等生物大分子包合和传递的理想材料。然而,这类聚合物的设计和合成仍然是一个不发达的领域。动态共价化学为热力学控制的大分子和超分子靶的合成提供了坚实的基础。迄今为止,利用这一策略制备多孔聚合物的尝试主要集中在溶剂热条件下晶体共价有机骨架的构建上,具有纳米尺度孔的水溶性聚合物框架用于有效的客体封装尚未报告。作者通过平衡分子组分的刚性和柔性,在水中定量形成腙键,合成一种新的柔性有机框架,并证明这种新型水溶性框架具有良好的生物相容性,可以原位包裹蛋白质并进行有效的细胞内传递。

在水溶液中,肼和醛反应生成腙,作者利用多元原理将其定量化,制备了水溶性、半刚性的四醛T1和柔性的双酰肼L1-L4,并研究了它们的反应,制备了腙基三维聚合物。通过保持 1:2 的化学计量比,作者首次在重水中使用 1 H 核磁共振波谱对反应进行了研究。在 [T1]=2.4 mM 时,反应在盐酸催化下在室温下定量进行,观察到在 9.9 ppm 下 O=CH 信号在约 30 分钟后完全消失。所有产物的 1 H 核磁共振谱宽,暗示了氢化聚合物的形成。作者将这一新的聚合物家族称为柔性有机框架( FOF-1-4 ),因为它们是由柔性构建块通过动态的腙键合成的,并保持了固有的纳米级孔隙。将温度升高到 90 °C 导致 FOF-1 的 1 H NMR 谱中出现弱 CHO 峰,这表明腙键部分水解。然而,当冷却到室温时,这个信号消失,这表明醛转变回腙。由 T1 和 L1 反应制备的 FOF-1 的 1 H NMR 谱与通过稀释更浓的溶液获得的相同浓度溶液的 1 H NMR 谱几乎相同,很好地反映了腙键的动力学特征。将浓度降低至 0.6 mM 不会产生任何 CHO 信号,表明在稀释溶液中腙键保持完整。进一步的 1 H NMR 谱研究表明,在达到平衡后,对照化合物 4- ( 4- 苄基吡啶 -4yl )苯甲醛( M1 , 9.6 mm )和 L1 ( 4.8 mm )的反应以 88% 的产率发生形成腙键。 FOF-1-4 的红外光谱表明,以 1703 cm -1 为中心的 T1 的醛 C=O 键的伸缩振动完全消失,与腙键的定量形成一致。

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图1. 水溶液中T1和L1-L4缩合反应合成腙基柔性有机骨架FOF-1-4。(图片来源:J. Am. Chem. Soc. )

FOF-1-4 溶液的 DLS 曲线显示,在 [T1]=2.4 mM 时,溶液的水动力直径( DH )分别为 122 、 91 、 122 和 106 nm 。溶液静置 3 个月后得到类似的结果,这表明了均质框架的高稳定性。相比之下, T1 在 2.4 mM 的溶液中 DH 值要小得多,约为 10 nm ,这反映了疏水性 4- 苯基吡啶单元的分子间堆积。骨架的 DH 值随浓度的降低而降低,然而即使在 [T1]=0.1 mM 时,溶液的 DH 仍在 12 到 38 nm 之间。为了研究 pH 值对骨架 DH 变化的影响,作者用 NaOH 将上述 FOF-1 溶液调节至 pH=7.3 ,然后稀释至 [T1]=0.1 mm 。将稀释溶液静置 24 小时,然后进行 DLS 测量,测量的 DH 为 91 nm 。显然,在弱碱性介质中,动态聚合物中的腙键交换变得非常缓慢,这对于蛋白质的包封和传递至关重要。 pH=7 时, FOF-1-4 的 ζ 电位分别为 46.2 、 25.3 、 23.9 和 38.6 mV ,这表明所有的框架表面都带正电。

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图2. pH=4.5时25 °C水中不同浓度的FOF-1和T1的DLS。(图片来源:J. Am. Chem. Soc. )

分子模拟研究表明, T1 的醛基不能与 L1-L4 缩合形成简单的 1+1 大环。通过假设理想的缩合过程和所有脂肪族链采用完全伸展构象, FOF-1-4 将形成一个动态的三维菱形框架。通过两种组分的 6+6 缩合形成的环己烷样孔的孔径计算, FOF-1 约为 5.3 nm , FOF-2-4 约为 6.7 nm 。为了测试这些动态共价聚合物是否形成固有孔,作者进行了客体包裹体研究。采用减压蒸发法制备了 FOF-1 和 FOF-4 粉末。干燥后将粉末置于宽度为 2.3 nm 的刚性4,4′,4″,4′″ - 卟啉 -5,10,15,20- 四苯甲酸盐( PTB ,作为钠盐)溶液中,并使用紫外可见光谱跟踪客体吸附。向 PTB 水溶液( 0.25 mM , 3 mL )中加入两种粉末 1.1 、 2.2 、 4.4 或 6.6 mg ,通过记录吸附前后 PTB 的吸光度,我们确定 61 % 、 71 % 、 88 % 和 100 % 的 PTB 被 FOF-1 吸附, 66 % 、 75 % 、 90 % 和 100 % 的 PTB 被 FOF-4 吸附。这一事实支持了骨架不是仅仅吸附在表面,而是形成了包含卟啉客体的固有孔隙。