吉林大學(xué)張文科教授課題組《Macromolecules》展望：聚合物鏈的單分子操縱 - 從納米力學(xué)性質(zhì)到動態(tài)結(jié)構(gòu)演變
探究聚合物多級結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)及功能之間的關(guān)系是高分子科學(xué)領(lǐng)域一個永恒的主題。相關(guān)研究對于高分子材料的理性設(shè)計以及生物功能的調(diào)控具有重要意義。然而，由于真實生物及材料體系的復(fù)雜性，傳統(tǒng)體相平均實驗方法難于定量建立這種聯(lián)系。通過將真實體系進行模塊化分割，提取出其中的關(guān)鍵要素，從微納尺度乃至單分子水平進行研究，是建立上述聯(lián)系的有效途徑。單分子力譜技術(shù)可以對單個聚合物鏈進行操縱，提供皮牛頓級別的力學(xué)測量精度以及亞納米尺度的空間分辨率，成為研究聚合物納米力學(xué)性質(zhì)（包括分子內(nèi)、分子間相互作用等）以及鏈結(jié)構(gòu)與其動態(tài)行為的有效方法。
吉林大學(xué)張文科教授課題組結(jié)合其在相關(guān)領(lǐng)域的工作積累，近期在《Macromolecules》上發(fā)表了題為“Manipulation of a Single Polymer Chain: From the Nanomechanical Properties to Dynamic Structure Evolution”的前景展望（Perspective）文章。該文章首先簡要介紹了聚合物分子偶聯(lián)及探針選擇對單分子操縱實驗的重要性。接著總結(jié)了近年來基于原子力顯微鏡技術(shù)（AFM）的單分子力譜方法在研究聚合物結(jié)構(gòu)與納米尺度力學(xué)性質(zhì)方面的進展，包括聚合物單晶納米力學(xué)性質(zhì)、聚合物共價力化學(xué)以及聚合物納米復(fù)合材料體系。隨后總結(jié)了基于AFM的單分子力譜及單分子磁鑷技術(shù)在研究具有重復(fù)序列的長鏈DNA高級結(jié)構(gòu)及其動態(tài)演化機制（圖1）。最后，討論了聚合物單分子操縱領(lǐng)域的未來挑戰(zhàn)和機遇。作者希望該文能引起材料、生物和理論模擬與計算等研究領(lǐng)域的相關(guān)人員的進一步關(guān)注與參與，深化對聚合物結(jié)構(gòu)-性能（功能）關(guān)系的理解。
圖1. 單分子力譜技術(shù)（SMFS）在材料和生物體系中的應(yīng)用。
（一）聚合物納米力學(xué)性質(zhì)
研究半結(jié)晶聚合物鏈組成與鏈間相互作用及鏈折疊/解折疊等動態(tài)結(jié)構(gòu)演化之間的聯(lián)系，對于高分子材料的設(shè)計、加工和使役具有重要的意義。半結(jié)晶性高分子材料通常由結(jié)晶相及無定形相等多級結(jié)構(gòu)組成，其在受力形變過程中往往伴隨著無定形相拉伸、片晶熔融、無定形鏈滑移、拉伸誘導(dǎo)結(jié)晶以及共價鍵斷裂等多層次的結(jié)構(gòu)演化過程（圖2）。上述過程往往還會發(fā)生疊加，難以提取出某一結(jié)構(gòu)（例如片晶）對材料力學(xué)性質(zhì)的貢獻，導(dǎo)致宏觀拉伸實驗難以建立結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)間的聯(lián)系。
圖2. 半結(jié)晶性高分子材料在拉伸過程中的多層次結(jié)構(gòu)演化示意圖。（1）無定形相拉伸；（2）片晶中聚合物鏈解折疊與結(jié)晶相熔融；（3）無定形鏈滑移穿越片晶結(jié)構(gòu)；（4）拉伸誘導(dǎo)結(jié)晶；（5）共價鍵斷裂。
1．聚合物單晶的納米力學(xué)性質(zhì)
聚合物單晶是研究半結(jié)晶聚合物材料力致熔融行為和鏈折疊的理想體系。張文科教授課題組于2011年首次報道了聚氧乙烯（PEO）單晶體系納米力學(xué)性質(zhì)的研究結(jié)果。通過將原子力顯微鏡（AFM）成像與單分子力譜技術(shù)有機結(jié)合，并輔以合適的樣品制備及偶聯(lián)方法，成功地將單條高分子鏈從PEO晶體中提拉出來，定量測量了晶體中高分子鏈間作用力的大。J. Am. Chem. Soc., 2011,133, 322）。在此基礎(chǔ)上，該課題組進一步克服樣品制備等難題，將其發(fā)展成一種普適性的研究方法，成功地將該方法應(yīng)用到聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、尼龍66（PA66）、尼龍6（PA6）、聚乳酸（PLLA）和聚己內(nèi)酯（PCL）等眾多高分子晶體體系當中。結(jié)合聚合物單分子力譜和受控分子動力學(xué)模擬，系統(tǒng)考察了晶體中聚合物鏈構(gòu)象（螺旋，平面鋸齒，非平面鋸齒）鏈組成、折疊模式以及外界環(huán)境等對納米力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。建立了晶體中高分子鏈構(gòu)象與鏈運動模式之間的聯(lián)系：螺旋鏈在受力拉伸時采取螺旋運動模式，力值變化較平穩(wěn)、波動較小，而鋸齒鏈會發(fā)生粘滑運動（stick-slip）導(dǎo)致力值出現(xiàn)鋸齒狀波動（Langmuir, 2017, 33, 1826; Macromolecules, 2019, 52, 1327），同時首次通過單分子實驗觀測到PA66及PA6晶體中高分子鏈在受力形變過程中多重氫鍵的動態(tài)斷裂與重新形成過程，發(fā)現(xiàn)高分子鏈在晶體中滑動過程中進行高速旋轉(zhuǎn)直至氫鍵重新形成（ACS Macro Lett., 2018,7, 762）；谏鲜鼍哂兄讣y特征的力譜，考察了聚合物鏈的折疊模式對單分子納米力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律：非近鄰折疊結(jié)構(gòu)的存在會使得力致熔融過程中既包含聚合物鏈的解折疊又包含無定形鏈在晶體中的穿行兩個過程，導(dǎo)致力學(xué)響應(yīng)信號的疊加。對于鋸齒構(gòu)象的聚合物鏈，其熔融力曲線體現(xiàn)為小鋸齒狀平臺上面的大鋸齒的出現(xiàn)（圖3B，3C中的綠色曲線）；對于螺旋構(gòu)象的聚合物鏈，非近鄰折疊會導(dǎo)致更高力值的長平臺力學(xué)信號的出現(xiàn)；谏鲜鲂畔，該課題組成功地建立了高分子晶體中鏈折疊模式的定量化研究新方法，該方法無需對樣品進行標記，具有很好的普適性，研究結(jié)果顯示溶液相制備的高分子晶體中近鄰規(guī)整折疊模式所占比例很高（≥91%），表明分子內(nèi)相互作用對結(jié)晶過程起到了關(guān)鍵作用（ACS Macro Lett., 2019, 8, 1194， ACS Editors’ Choice）。通過化學(xué)修飾和條件優(yōu)化，建立了空氣相聚合物單分子力譜方法，顯著提升了力學(xué)測量精度（從23 pN提升至4 pN）以及拉伸速率（從10 μm/s提高至100 μm/s），并成功檢測到PEO折疊鏈所形成的環(huán)形鏈（loop）結(jié)構(gòu)在晶體中受力運動的中間態(tài)（Macromolecules, 2018, 51, 7052）。同時發(fā)現(xiàn)晶體所處環(huán)境對納米力學(xué)性質(zhì)影響顯著，聚合物與周圍介質(zhì)的界面能越高，熔融力值越高，晶體力學(xué)穩(wěn)定性越好。
圖3. 聚合物鏈在晶體中的折疊模式對其納米力學(xué)性質(zhì)的影響以及基于力學(xué)指紋譜的折疊模式定量化研究。
2. 共價力化學(xué)
在極端拉伸條件下，聚合物鏈有可能會發(fā)生分子內(nèi)共價鍵的斷裂，誘導(dǎo)共價力化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。研究外力沿著聚合物鏈的傳遞規(guī)律，并定量化力化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的機制是力化學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。AFM-SMFS方法是唯一能定量分析力化學(xué)反應(yīng)所需外力及其動力學(xué)過程的實驗方法，相關(guān)研究對于開發(fā)新型力色團、調(diào)控材料韌性及自修復(fù)等性能具有重要的意義。在該展望文章中，作者討論了相關(guān)領(lǐng)域的一些近期研究進展，包括力色團在聚合物主鏈中的連接方式以及力色團中隱藏的鏈長對力學(xué)性質(zhì)的影響（Nat. Commun., 2017, 8:1147)、外力誘導(dǎo)螺噻喃可逆開環(huán)異構(gòu)化反應(yīng)及由此引發(fā)的點擊化學(xué)反應(yīng)（Nano Res., 2020, 14, 2654）圖4），以及外力誘導(dǎo)的聚合物主鏈釋放HCl的反應(yīng)和由此引發(fā)的顯色反應(yīng)(Craig et al., J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 99)等等。
圖4. 力誘導(dǎo)螺噻喃異構(gòu)化及其點擊化學(xué)反應(yīng)。
3. 聚合物納米復(fù)合物
了解聚合物與納米粒子之間的作用強度、影響因素以及復(fù)合過程的動力學(xué)，對于調(diào)控納米復(fù)合物的性質(zhì)、設(shè)計高性能聚合物納米復(fù)合物材料（如，納米載藥體系）具有重要意義。該展望文章評述了以單個聚合物鏈為探針，采用AFM-SMFS方法研究聚合物與納米物質(zhì)形成的復(fù)合物的納米力學(xué)性質(zhì)方面的進展。主要包括，納米粒子的形狀、尺寸及表面電荷密度等對多金屬氧簇-聚賴氨酸復(fù)合體系相互作用的影響（Langmuir, 2017, 33, 7615）；溶液離子強度對聚陽離子基因載體材料PEI與雙鏈DNA間結(jié)合強度的顯著影響（ACS Appl. Mater. Inter. 2016, 8, 21055）。還討論了單股DNA在手性碳納米管表面進行纏繞組裝以及DNA序列、納米管手性以及鹽溶液對所形成的納米組裝體結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律（Nanoscale, 2018, 10, 18586）。在純水中，DNA與納米管在π-π及疏水效應(yīng)作用驅(qū)動下纏繞形成螺旋結(jié)構(gòu)；在PBS溶液中，復(fù)合物的形成分兩步進行：首先是在π-π及疏水效應(yīng)作用下發(fā)生DNA在納米管上的吸附及纏繞，鹽溶液可以消除相鄰DNA鏈段之間的靜電排斥作用，從而在氫鍵驅(qū)動下形成更加緊密纏繞的螺旋結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出更高的力學(xué)穩(wěn)定性（圖5）。
圖5. 鹽溶液對單股DNA與手性碳納米管的組裝/解組裝過程的影響。
（二）DNA的高級結(jié)構(gòu)及其動態(tài)演化
對于一些分子量較大、難以采用核磁及X-射線結(jié)晶衍射等方法進行結(jié)構(gòu)解析的聚合物樣品體系，通過采用單分子力譜方法并結(jié)合CD等傳統(tǒng)實驗技術(shù)，可以較好地研究這些聚合物所形成的高級結(jié)構(gòu)及其動態(tài)演化過程。該展望文章分別介紹了其研究組在利用AFM-SMFS方法研究帶有重復(fù)序列的長鏈端粒DNA的高級結(jié)構(gòu)及其在外力誘導(dǎo)下的結(jié)構(gòu)演化機制，討論了DNA樣品制備與偶聯(lián)方法創(chuàng)新對成功開展相關(guān)實驗的重要性。對雙鏈端粒DNA體系，發(fā)現(xiàn)機械力可以觸發(fā)雙鏈端粒DNA的熔融以及高級結(jié)構(gòu)的形成。只有在兩條鏈都分別形成G-四鏈體和i-motif結(jié)構(gòu)的條件下，這些四鏈體結(jié)構(gòu)才能穩(wěn)定存在，雙螺旋DNA的再次復(fù)性才能被有效阻止（Nucleic Acids Res., 2020, 48, 6458）。溶液中引入K+、單壁碳納米管、酸性條件或是富含G的短片段均有利于實現(xiàn)將平衡從雙螺旋復(fù)性向高級結(jié)構(gòu)形成的方向轉(zhuǎn)移（圖6）。上述研究工作為端粒DNA結(jié)構(gòu)的調(diào)控提供了一種新的途徑和思路。
圖6. 雙鏈端粒DNA的動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)演化示意圖。
對于單股端粒DNA鏈，首次探測到長串聯(lián)G-四鏈體中存在一種新型的不完整折疊結(jié)構(gòu)，即含有G空缺的pre-GQ，其特點是四鏈體外側(cè)存在多個對稱的G空缺（CCS Chem., 2021, 3, 3192）。該長鏈端粒DNA的折疊過程主要可分為兩步，首先快速折疊成G-發(fā)夾結(jié)構(gòu)（G-hairpin），接著外側(cè)的鳥嘌呤緩慢地折疊進入到空缺位置形成pre-GQ，較高濃度的PEG可以加快這一過程（圖7）。這些發(fā)現(xiàn)有助于人們更好地認識長鏈端粒末端的真實結(jié)構(gòu)，為抗癌藥物的設(shè)計提供新的思路。
圖7. 人類端粒長鏈ssDNA的動態(tài)結(jié)構(gòu)演化示意圖。
此外，利用單分子磁鑷技術(shù)的高的力學(xué)精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性，研究了凝血酶適體重復(fù)序列所形成的高級結(jié)構(gòu)。采用新開發(fā)的換酶滾環(huán)擴增法，制備了末端帶有多個生物素分子修飾的單股DNA，實現(xiàn)了目標分子在磁球與基片之間的穩(wěn)定偶聯(lián)。通過單分子磁鑷并結(jié)合AFM成像實驗，發(fā)現(xiàn)長鏈凝血酶適配體ssDNA內(nèi)部存在一種由重復(fù)序列堆積形成的新型棒狀G-四鏈體結(jié)構(gòu)，且凝血酶的加入可以促進更長的棒狀結(jié)構(gòu)的形成（圖7，Nanoscale, 2020, 12, 4159）。這項工作所開發(fā)的方法原則上適用于基因組中廣泛存在的其他重復(fù)序列體系的研究。單分子磁鑷系統(tǒng)的穩(wěn)定性及高的力學(xué)靈敏度，使其還可以研究由重復(fù)序列的DNA與組蛋白所形成的核小體的動態(tài)組裝、單個聚合物鏈的結(jié)晶成核及鏈-球（coil-globule）轉(zhuǎn)變等相變過程的研究。
圖8. 凝血酶適體重復(fù)序列的制備及所形成的新型棒狀結(jié)構(gòu)。
（三）前景與挑戰(zhàn)
盡管 SMFS在建立聚合物的微觀結(jié)構(gòu)（或構(gòu)象）及其動態(tài)結(jié)構(gòu)演變與納米力學(xué)性能和生物功能關(guān)系方面展示出廣闊的應(yīng)用前景，但在真實的材料和生物體系研究方面仍有許多問題需要解決。一方面對于聚合物材料體系，單晶的性質(zhì)不能完全反映復(fù)雜體系（同時包含結(jié)晶相和無定形相）的真實性質(zhì)，已建立的力學(xué)指紋譜對未來研究非晶相對材料納米力學(xué)性質(zhì)的影響奠定了堅實的基礎(chǔ)。此外，對于非晶聚合物凝聚態(tài)的納米力學(xué)性質(zhì)研究是另一個具有挑戰(zhàn)性的課題。通過結(jié)合理論模擬、超分辨光譜等技術(shù)將有力地促進該領(lǐng)域的發(fā)展。另一方面，對于單鏈力化學(xué)領(lǐng)域，SMFS技術(shù)僅能提供力和長度信息，難以給出明確的化學(xué)信息，通過原位聯(lián)用其他具有化學(xué)組成分辨能力的光譜技術(shù)，將賦予SMFS新的活力。在生物體系中，基于AFM的力譜技術(shù)尚不能定量外力負載下的化學(xué)生物學(xué)反應(yīng)，將SMFS技術(shù)和超分辨顯微鏡進行結(jié)合有可能為該課題帶來創(chuàng)造性的解決方案？傊@些領(lǐng)域的發(fā)展取決于新技術(shù)和新實驗/理論方法的建立。這些領(lǐng)域雖然充滿挑戰(zhàn)，但也為研究人員提供了充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力的空間。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.2c00076
