聚肽共聚物多级自组装及相关生物机能研究

Copolymers based on polypeptides are capable of self-assembling into various supramolecular aggregates with hierarchical structures. Studies of such hierarchical self-assembly are important in understanding the nature of hierarchical self-assembly and the related biological processes. In this proposal, by combining the experimental observations and computer simulations, we intend to investigate the effect of the molecular structure, chain conformation, and environmental conditions on the self-assembled hierarchical structures, and further unveil the thermodynamic performances of the hierarchical self-assembly of the polypeptide copolymers. On the other hand, the studies are directed towards the dynamic process of the hierarchical structure formation. The comprehensive understanding of the thermodynamic and dynamic properties of the hierarchical self-assembly is of significance for controllable preparation of the supramolecular structure. ..Since the polypeptides and proteins have similar basic structure of amino acid, the vesicles and virus-like aggregates formed by the polypeptides can be utilized to study the protein-mediated cytomimetic vesicle fusion and endocytosis of virus-like aggregate (mimick the cytological process of vesicle fusion and endocytosis of virus). We plan to develop a new computer simulation method based on polymeric field theory. Using the developed method, together with the experimental techniques, it is anticipated to understand the principle underlying the cell fusion and virus endocytosis through investigating the fusion of vesicle and transmebrane of virus-like polypeptide aggregates. The results gained could be useful for understanding the life phenomenon and providing valuable information for curing disease.

聚肽共聚物通过自组装可形成超分子多级结构，研究其多级自组装行为对于掌握高分子多级自组装规律和了解相关生物机能具有重要的意义。本申请拟通过实验与理论相结合的方法，研究聚肽共聚物的拓扑结构、链构象和环境条件等因素与其所形成的多级结构之间的关系，明确多级自组装的热力学性质；另一方面，通过研究多级自组装体的形成过程，揭示其结构形成的动力学特性。在掌握热力学和动力学本质的基础上，实现聚肽共聚物多级自组装结构的可控制备。.聚肽具有与蛋白质相同的氨基酸基本单元，利用多级自组装形成的聚肽囊泡、膜和类病毒结构可模拟细胞膜融合和病毒穿膜等生物过程。通过发展一种基于场论的多尺度模拟方法并结合实验手段，拟研究蛋白介导的细胞融合和病毒穿膜过程的规律，为了解生命现象和疾病治疗奠定理论基础。

聚肽共聚物通过自组装可形成超分子多级结构，研究其多级自组装行为对于掌握高分子多级自组装规律和了解相关生物机能具有重要的意义。根据研究计划和目标，系统开展了相关的研究：1）设计合成了不同拓扑结构的基于聚肽的嵌段共聚物、接枝共聚物以及复杂拓扑结构的共聚物，实现了可控制备。2）发现了一系列基于聚肽的多级自组装结构，如发现聚肽共混体系能自组装形成超分子螺旋结构。这种新结构与内核中含DNA或RNA、外层包裹蛋白质的病毒十分类似，研究结果对了解病毒复制、感染的方式具有重要价值。通过聚肽胶束结构设计，可使其进一步发生超分子“聚合反应”形成结构可控的一维多级结构，提出了胶束超分子聚合的概念。利用实验和理论模拟相结合的方法，明确了相关机理，特别是自组装结构形成的动力学规律，为可控制备超分子多级材料提供了理论指导。3）设计和构建了一系列聚肽胶束药物控释载体，明确了其释药和穿膜机理。构建了多种模型病毒，发现表面具有超螺旋结构的纳米粒子在胞吞的过程中具有螺旋进入的现象，有很强的入胞能力。研究结果为了解表面具有不同结构的病毒纳米粒子进入细胞的过程提供了启示，并为设计高效的药物载体提出了新的思路。..研究成果在Angew. Chem. Int. Ed.、Macromolecules、Small、Chem. Soc. Rev.等学术刊物上发表51篇，在国内外学术会议上做邀请报告26次。获2015年上海市自然科学奖一等奖（第1完成人）。应邀担任Macromolecules、ACS Macro Lett.、J. Mater. Chem. A和Sci. Rep.等期刊的编委。1人入选基金委优青，1人入选上海市科技启明星。培养了10名博士和4名硕士。