從大自然的藍圖中合成納米材料

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在太平洋西北國家實驗室 (PNNL)，材料科學家陳春龍也對自然界中發現的模型感興趣，但規模要小得多。Chen 從自然界中發現的分子結構中汲取靈感;主要來自蛋白質的構建塊，稱為肽。他創造了序列定義的類肽——比天然構建塊更強大的合成類蛋白質分子——以開發具有獨特功能的仿生納米材料。

這些仿生納米材料在從藥物輸送到光伏發電的各種應用中顯示出前景。作為分子自組裝領域的新興領導者，陳和他的幾位前實習生最近為即將出版的《化學評論》特刊撰寫了一篇評論文章。本文介紹了由序列定義的合成聚合物組裝而成的分級納米材料的最新技術。通過這篇綜述，作者希望鼓勵相關領域的其他人探索用于先進能源、生物醫學和環境應用的仿生納米材料的設計。

“我對春龍在這一領域的成就感到非常鼓舞，我堅信他才剛剛開始發現仿生擬肽納米結構的各種新應用，”陳的前導師和勞倫斯伯克利的擬肽發明者羅納德·扎克曼說國家實驗室(LBNL)。“他的研究開啟了仿生納米科學的全新時代，我們可以在其中以原子精度操縱合成納米材料，以解決分子識別、催化和治療方面的問題。”

微小材料的大應用

Chen 自己的研究重點是開發序列定義的擬肽來模擬天然蛋白質，用于仿生結晶和仿生材料的組裝。由這些自組裝分子形成的結構表現出比單個分子更大的特性。例如，蛋白質包含多層結構。氨基酸結合在一起形成構成蛋白質的肽分子。肽折疊形成 3D 結構，賦予蛋白質其功能。在下一個層次上，多種蛋白質可以聚集在一起形成復合物，以實現超出單個蛋白質能力的獨特功能。

“創造自組裝成天然大分子等分級納米材料的合成聚合物非常令人興奮，但該領域仍然相對較新，”陳說。“通過這次審查，我們想強調在這些序列定義的合成聚合物的分子自組裝方面取得的一些進展。我們還想討論它們的自組裝分層材料在生物醫學科學和可再生能源中的潛在應用。 ”

這些不同功能的可能性是無限的。迄今為止，這些仿生功能材料已在藥物輸送、分子傳感、光動力療法、水凈化等方面顯示出前景。

“蛋白質包含很多信息。它們的氨基酸序列決定了它們在我們體內的結構和功能。我們合成的擬肽采用這種想法，即使用序列為這些分子編程以實現不同的功能，”陳說。

“原則上，我們可以使用擬肽作為可編程積木的平臺，并像樂高積木一樣將它們組裝起來，構建具有高度可編程性和可預測性的高信息內容分層材料，以滿足我們的需求。挑戰在于通過仔細地洞察這些預測研究我們的成功和失敗，”陳說。

打造分層納米材料的新路徑

眾所周知，陳創造的納米材料不可預測。很難合成具有特定功能的材料。然而，陳對于克服這些挑戰并不陌生。作為中國中山大學的研究生，陳開始研究分子的設計和組裝成超分子結構。這為他在密西西比州立大學、匹茲堡大學和 LBNL 擔任博士后研究助理鋪平了道路，在那里他與扎克曼一起工作。

Chen 最終被招募到 PNNL，在那里他率先設計了能夠自組裝的序列定義的類肽。

“不僅要創造分子本身，還要確保它們能夠形成我們希望它們形成的更大結構，這涉及很多反復試驗，”陳說。

他和他的團隊最初著手為生物醫學應用(如藥物輸送和生物成像)創造分子。很快，他們將研究擴展到了廣泛的應用領域，包括水凈化和電池研究。

指導很重要

“我們的團隊很榮幸成為《化學評論》中“分子自組裝”特刊的一部分，也很榮幸我被邀請在序列定義的合成聚合物的分子自組裝領域撰寫一篇廣泛的評論，”陳說。“這是對該領域多年辛勤工作的極大認可，包括我們來自 PNNL 的貢獻。”

接到邀請后，陳立即組建了一個團隊，由他的兩位前博士后李志良和蔡斌(現為山東大學教授)和訪問研究生：天津大學研究生楊文超組成。這三人與陳作為合著者合作，概述了擬肽和其他序列定義的聚合物分子自組裝成分級納米材料的當前技術水平及其在能源和生物醫學中的潛在應用。

“在與春龍合作的過程中，我在生物化學領域獲得了寶貴的知識，例如生物分子的設計和合成、有機合成和分子自組裝，”PNNL 陳團隊的前博士后研究員 Bin Cai 說。“此外，他的科學洞察力和樂觀的態度極大地影響和塑造了我的職業方向。具體來說，我從他身上學到的是如何集中注意力：如何專注于一個重要的科學問題，并為實現它制定多項計劃。”