多肽的压电特性发掘有新进展！

自首次从动物胰腺中提取胰岛素到现在，多肽已经在药物方面充分体现出其巨大潜力。随着科学家对多肽的逐步深入研究，当今多肽的应用和使用的范围早已不仅仅局限在药物方面。近期，以色列研究团队就胶原蛋白的压电性质进行研究，设计出了能是此案高电流和高压输出的超短肽序列，并将这一科研成果发布在权威杂志《自然》。

自组装、无毒、环保、高性能、高灵敏度、高可靠性的压电器件对于传统无机和高分子材料的来讲是亟需的。而长期以来，胶原蛋白等具有层次结构的天然材料一直被认为具有机电特性，这些特性可能通过分子工程放大，从而产生与技术相关的压电性。在这个基础上，以色列研究团队通过使用一个极简单的胶原蛋白构建基，使用基于Phe-Phe的肽，Pro-Phe-Phe和Hyp-Phe-Phe的截然不同的螺旋排列，制造出基于肽的压电发生器。

Hyp-Phe-Phe的自组装和结构表征

为了设计胶原模仿天然压电短肽，以色列研究团队选择了脯氨酸-苯丙氨酸-苯丙氨酸形成自组装的三肽，并且其具有类似于胶原的超短螺旋天然肽具有较高的机械稳定性。在验证了类似于胶原蛋白的螺旋构象，横向周期性和高机械强度之后，使用DFT预测了该三肽的弹性，介电和压电常数。

当前，在分子水平上还不能完全表征生物材料的压电性。经典压电模型不包括生物材料的分层结构组织，从而导致预测与实验结果之间存在差异。越来越多的证据表明，生物材料的压电响应极大地取决于原子级结构和自组装的层次结构，以及构成氨基酸残基的偶极子的幅度和符号。胶原蛋白及其三肽简约类似物Pro-Phe-Phe和Hyp-Phe-Phe均显示螺旋结构。

Pro-Phe-Phe和Hyp-Phe-Phe组件的压电性

此外，胶原蛋白的最短重复单元也显示出与所研究的三肽相似的分子排列和对称性。已假设Phe基团有助于促进潜在的母体肽中的芳香族分子轨道重叠，从而潜在地导致电子离域和显着带隙的产生。因此，先前的分子设计在螺旋肽序列中掺入了芳族苯丙氨酸残基，以便在所得组装结构中设计电子传输性质。这与Hyp-Leu-Phe肽的较低压电响应相符，后者在晶体中保留了螺旋结构，但芳香性降低了。同时，在胶原蛋白氨基酸中，Hyp以单晶形式表现出最高的压电响应。我们的分子模型表明，羟基化显着增加了应力下的晶体极化率。因此，Hyp-Phe-Phe在结构和相互作用方面满足了高压电敏感性的所有特定要求，因此在所研究的天然短肽中表现出最高的压电响应。

在这里，以色列研究团队制造出的简单的生物压电器件，由模仿胶原蛋白的超短肽序列制成，可以实现高电流和高电压输出，与使用包含无机材料或有机聚合物的纳米发电机所获得的相似。并且，该研究团队在胶原蛋白和设计的短肽的中发现了可以解释高压电性的常见螺旋分子结构。同时，通过简单地用极化率较高的另一种成分（在我们的情况下为吡咯烷环上的CH→C-OH）代替一种成分，可以显着提高能量输出。这种对施加应变的更高响应设计强调了在压电生物材料中结合极性构建单元的重要性。而且，尽管用相似的分子结构强调了芳族基团的重要作用，但是通过用Phe代替Leu进行序列突变显着降低了压电响应。

挖掘可再生、可持续和绿色能源替代化石燃料的潜力是能源研究中最重大、最紧迫的挑战之一。蛋白质中的压电效应是一种有趣的现象，可以使半导体世界与生物世界之间联系起来。肽压电的分子工程不仅对于了解生物材料中压电的分子基础至关重要，而且对于揭示具有可预测的高压电响应的短肽模块化设计的核心识别基元也至关重要。在这个层面上来看，以色列团队此次针对多肽的研究就具有划时代的意义。

参考资料：Bera, S., Guerin, S., Yuan, H. et al. Molecular engineering of piezoelectricity in collagen-mimicking peptide assemblies.                     Nat Commun12, 2634 (2021).