金属离子在生命过程中发挥着重要的生物学功能。在人体基因组编码的蛋白质和酶中，有三分之一以上必须以金属离子或金属结合部位作为辅因子。这些金属蛋白可被视为精细的金属配合物或螯合物，其中金属离子在稳定和调节蛋白质结构、促进分子识别、电子转移、运输和催化反应方面发挥着重要作用。而异常的金属离子-蛋白质相互作用则会导致疯牛病、阿尔茨海默症等神经退行性疾病。因此，研究金属离子与生物大分子之间的相互作用，对于理解生命现象和重大疾病的发病机制具有重要的科学意义。
近日，四川大学高分子科学与工程学院丁明明教授以“Protein-Inspired Polymers with Metal-Site-Regulated Ordered Conformations”为题在Angewandte Chemie International Edition上首次报道了利用金属配位化学实现聚氨基酸二级结构的有序调控。该团队通过合理分子设计合成了侧链接枝外源配体去铁胺(DFO)的聚氨基酸衍生物，并通过调节配体数量以及螯合金属离子，实现了聚氨基酸囊泡二级构象的有序-有序和可控转变。螯合金属后的聚合物具有高稳定性和膜活性，可以有效地穿过血脑屏障(BBB)并实现脑部高清长效的磁共振成像(MRI)。
研究者以聚乙二醇-聚苄酯谷氨酸为原料，将DFO修饰在聚氨基酸侧链上，制备聚氨基酸囊泡。该聚合物通过调节DFO的接枝数，调节了侧链DFO的氢键密度，并通过DFO的短程氢键相互作用对聚氨基酸主链骨架进行几何约束，从而促使聚氨基酸的二级构象发生由α-螺旋向β-折叠的转变以及囊泡粒径的显著增加。
在进一步的研究中，该团队通过DFO与Fe3+等金属离子的配位过程，解除了聚氨基酸侧链上DFO分子对聚氨基酸主链的约束作用，从而实现了依赖于铁浓度的从β-折叠向α-螺旋构象的转变。作者通过二维核磁、红外和分子动力学模拟等手段揭示了金属配位调控聚氨基酸有序构象的分子机制。
该构象可控的聚合物在螯合Fe3+后可以自组装成超小尺寸、高铁负载量、高稳定性、高T1弛豫率的纳米囊泡，并有效穿过血脑屏障，可用作脑部高效安全的纳米磁共振成像（MRI）造影剂。
该研究工作是首例金属离子调节聚氨基酸二级构象有序转变的报道，对于理解生物大分子与金属相互作用具有重要的科学意义。同时该工作提供了一种用于脑部高清长效成像的纳米材料，在生物传感、药物递送和疾病治疗诊断方面具有较高的应用价值。
以上相关成果发表于Angewandte Chemie International Edition (DOI: 10.1002/anie.202213000)。论文的第一作者为四川大学高分子科学与工程学院研究生刘航和周业强，通讯作者为丁明明教授。该项研究工作得到国家自然科学基金委、四川省科技厅和高分子材料工程国家重点实验室项目资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202213000
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