Exploring mussel byssus fabrication with peptide-polymer hybrids: Role of pH and metal coordination in self-assembly and mechanics of histidine-rich domains
Exploring mussel byssus fabrication with peptide-polymer hybrids: Role of pH and metal coordination in self-assembly and mechanics of histidine-rich domains
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利用肽-聚合物杂化物探索贻贝足丝制造：pH 和金属配位在富含组氨酸结构域的自组装和力学中的作用
DOI：
10.1016/j.eurpolymj.2018.09.053
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发表时间：
2018
影响因子：
6
通讯作者：
Harrington
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Trapaidze;D’Antuono;Fratzl;Harrington
贻贝深海丝是一种生物聚合物纤维，具有高韧性和自我修复能力，这是由于胶原蛋白构建块（称为preCols）的分层排列。为了研究前Col末端富含组氨酸的结构域（HRD）在贻贝足丝快速自组装和性质中的作用，我们基于进化上保守的HRD序列基序用肽功能化了4-臂星形聚乙二醇（star-PEG）分子。PEG-HRD混合分子使用模拟自然组装过程的简单pH触发器立即可逆地形成不含金属离子的物理水凝胶。光谱分析表明，凝胶化是通过构象转变为β-折叠晶体结构介导的，β-折叠晶体结构由交联星形PEG的多个肽基团组成。此外，在凝胶化过程中引入的金属离子在网络内形成His-金属配位键，并增加凝胶的粘弹性阻尼，如针对天然纤维所提出的。这些发现有助于解开自然足丝形成/功能过程中的pH值和金属配位的不同作用，并可能对生成具有分级结构的新型金属聚合物材料具有重要意义。
Mussel byssal threads are biopolymeric fibers that possess high toughness and self-healing capacity owing to a hierarchical arrangement of collagenous protein building blocks known as preCols. To investigate the proposed role of histidine-rich domains (HRDs) at preCol termini in the rapid self-assembly and properties of mussel byssus, we functionalized 4-arm star-shaped polyethyleneglycol (star-PEG) molecules with peptides based on an evolutionarily-conserved HRD sequence motif. PEG-HRD hybrid molecules instantly and reversibly form physical hydrogels without metal ions, using a simple pH trigger mimicking the natural assembly process. Spectroscopic analysis indicates that gelation is mediated via a conformational transition into β-sheet crystalline structure, comprised of multiple peptide groups that cross-link the star-PEGs. Additionally, metal ions introduced during gelation form His-metal coordination bonds within the network and increase viscoelastic damping of the gels, as proposed for native fibers. These findings help disentangle the different roles of pH and metal coordination during natural byssus formation/function and may have important implications for generating novel metallopolymeric materials with hierarchical structure.
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