小角中子散射技术研究多肽溶液自组装纳米结构及动态过程

Peptide self-assembly has a great potential for a variety of biomedical and nanotechnological applications. Different self-assembled peptide nanostructures have shown different physiochemical properties and specific biological functions. In order to effectively control peptide nanostructures and their functions as well as to understand the structure-function relationship, it is necessary to thoroughly characterize their self-assembly processes and accurately determine their nanostructures. Small angle neutron scattering (SANS) is a powerful technique to in situ follow solution nanostructures and structural dynamics. In this proposal, we aim to investigate the self-assembly/disassembly processes and structural variations of various peptide nanostructures by using SANS. We will focus our effort on (1) tuning of the peptide self-assembly process and self-assembled nanostructures via molecular design and varying solution conditions (temperature and metal ions), (2) SANS characterization of the 3D structures of peptide aggregates, in combination with the solvent contrast variation approach and the use of deuterated peptides, (3) In situ SANS characterization of the self-assembly processes of different peptide nanostructures, in particular the identification of key intermediate aggregates and their structures as well as the underlying mechanism of their formation and growth, (4) the disassembly methods for different peptide aggregates and in situ characterization of their disassembly processes. We request 336 hours (14 days) of beam time from CSNS during the proposed 3-year study. The completion of the proposed study will greatly favor the development of an in situ characterization technique for solution nanostructures with high temporal and spatial resolution, enhance our understanding of the peptide self-assembly process and structural variations, and promote the utilization of SANS in the field of biomolecular self-assembly.

多肽自组装体系在生物医学领域具有良好的应用前景，不同结构的多肽组装材料已经展示出各异的物理化学性能和生物学功能。实时跟踪多肽自组装过程，正确和完整地剖析组装体的纳米结构，有助于多肽组装体系的动态调控和功能化。小角中子散射技术（SANS）是原位表征体相纳米结构和变化的强有力工具。基于此，本项目将利用中国散裂中子源（CSNS）小角散射谱仪深入研究多肽溶液自组装/解组装过程和纳米结构的动态变化，研究中拟通过分子结构或溶液条件的改变调控组装过程和纳米结构，结合氘反差法和氘置换法全面剖析多肽组装体的精细结构、揭示关键的中间体及其生成与生长机制，最终获得多肽自组装纳米结构的调控规律和手段。项目三年研究期间将需要SNAS机时336小时。项目的开展将有助于发展时空可分辨的生物分子溶液纳米结构表征技术，揭示多肽自组装动态过程和调控规律，拓展和提高我国中子散射技术的应用研究范围和水平。

多肽分子间作用力异常丰富，可以通过自组装形成不同的纳米结构，这些超分子组装体具有特殊的性质和功能，是一类新型的功能材料，在生物医药、纳米制造等诸多领域已经展现出良好的应用前景。由于结构与功能密切相关，因此不仅需要对多肽自组装纳米结构进行详细表征，而且还需要发展更多调控其结构变化的策略。小角中子散射技术（SANS）是原位表征体相纳米结构和变化的强有力工具。本项目依托中国散裂中子源（CSNS）的小角中子散射谱仪，并与其它结构表征手段和理论模拟相结合，对不同的多肽纳米结构、自组装过程以及不同结构之间的动态调控进行了深入研究。主要的研究内容和结构如下：.设计、合成了近20个多肽组装基元，通过调控其氨基酸组成、残基序列和长度、分子几何形状以及溶液条件，获得了具有不同二级结构与超分子纳米结构的多肽组装体。在此基础上，我们首先明确了不同多肽纳米结构（包括纳米胶束、纳米纤维、纳米宽带和纳米管）的SANS特征信号。其次，对典型的多肽自组装结构（如纳米管）的形成过程进行了原位SANS跟踪，特别是由纳米扭曲纤维到纳米螺旋带，最后形成纳米管的这些关键过程。最后，对不同多肽组装纳米结构进行了动态调控，并通过SANS实时跟踪了这些结构变化。与此同时，我们在CSNS小角中子散射谱仪上搭建了原位变温装置，可以实现分离式水浴控温和自动换样。.通过该研究项目的开展，我们不仅发展了溶液纳米结构原位SANS 表征技术，揭示多肽自组装动态过程和调控规律，而且对于拓展和提高我国中子散射应用研究的范围和水平起到了积极的推动作用。基于该项目的研究，已发表SCI期刊论文11篇，其中包括1篇Nano Letters和1篇Small研究论文、1篇Coordination Chemistry Reviews综述论文，发表在Small上的论文被Wiley MaterialsViews中国作为研究亮点进行了报道；已培养了博士研究生2名，硕士研究生5名。