理解生命所必需的均手性生物大分子是如何从外消旋前体中产生的，这是一个具有挑战性的问题。在这里，吉林大学孙静&中科院长春应化所陈学思提出了一种突破性的方法，涉及在水介质中通过超声辅助的分层手性组装驱动的ε-苄氧羰基-L/D-赖氨酸N-羧酸酐的立体选择性开环聚合。这种方法在短时间内实现了狭窄的分散度，并利用活性聚合机制实现了多肽的高分子量。L和D对映体的聚合分别在一锅制备中主要产生了右旋和左旋超螺旋组装体。值得注意的是，在没有催化剂的情况下，通过分层组装驱动的外消旋单体的聚合，有效地制备了立体选择性多肽片段。这项研究为方便制备立体富集的多肽提供了一种创新策略，更重要的是，为生命起源中均手性肽的合理出现提供了启示。该研究题为“Fast Catalyst-Free Synthesis of Stereoselective Polypeptides via Hierarchical Chiral Assembly”发表在《Journal of the American Chemical Society》

图1展示了mPEG-NH₂作为亲水性大分子引发剂，在冰水浴中通过超声辐射在水介质中引发ε-苄氧羰基-L/D-赖氨酸N-羧酸酐（ZLL-NCA和ZDL-NCA）的开环聚合诱导自组装（ROPISA），从而快速合成具有层级手性超螺旋结构的聚(乙二醇)-嵌段-聚(ε-苄氧羰基-L/D-赖氨酸)（PEG-b-PZLL/PZDL）。研究者观察到，随着聚合时间的增加，聚合物结构从β-折叠逐渐演变为扭曲的β-折叠，并最终形成右手或左手的超螺旋结构。这些结构的演变通过透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）和冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）进行了系统性表征，揭示了聚合过程中聚合物链增长和自组装行为的动态变化。通过这种方式，研究者成功地在无催化剂的条件下，通过控制聚合条件实现了对映体选择性聚合，为合成具有特定手性的多肽提供了一种新途径。

图1. mPEG-NH₂引发的ZLL-NCA、ZDL-NCA和单体外消旋混合物的水相ROPISA合成路径

【mPEG-NH₂介导的ZLL-NCA在H₂O中的可控ROP】

图2展示了在超声辐射辅助下，mPEG-NH₂引发的ZLL-NCA在水介质中的可控开环聚合（ROP）的行为和动力学。通过改变初始单体与引发剂的比例，研究者观察到分子量（Mn）和分散度（D）随单体转化率的系统性变化，并通过凝胶渗透色谱（GPC）和核磁共振（NMR）谱图确认了聚合过程的可控性。聚合速率常数（k）的测定表明，超声辐射显著提高了聚合速率，与常规的NCA开环聚合相比，展现了更快的动力学和更高的单体转化率。此外，通过圆二色谱（CD）和衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析，研究者发现聚合物的二级结构在聚合过程中从β-折叠转变为扭曲的β-折叠结构，这与聚合物的超螺旋组装形态相一致。这些结果表明，超声辐射不仅加速了聚合反应，还有助于形成具有特定二级结构和超螺旋形态的多肽，为制备具有特定手性的多肽提供了一种高效的方法。

图2.mPEG-NH₂介导的ZLL-NCA在H₂O中的可控ROP

【超螺旋结构随时间的结构演变】

图3通过透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)和冷冻透射电子显微镜(cryo-TEM)等技术手段，展示了PEG113-b-PZLL48在不同聚合时间点的超螺旋结构的形成和演变过程。在聚合初期（约30秒），观察到大约20纳米直径的球形胶束和4至10纳米直径、大约4纳米螺距的右手螺旋共存。随着聚合时间的延长（至3分钟），这些螺旋逐渐增长并相互缠绕，形成了直径约20-30纳米、长度可达350纳米的右手超螺旋结构。聚合30分钟时，观察到的超螺旋结构直径一致，但长度有所减少，这可能是由于超声辐射导致的结构断裂。AFM图像确认了大约10纳米高的右手超螺旋结构的存在。Cryo-TEM进一步证实了溶液中相似尺寸的超螺旋结构的存在。此外，对于具有相反手性的PEG-b-PZDL，观察到了一致的左手超螺旋结构。研究结果表明，多肽的立体化学高度支配了层级超螺旋的立体化学，而超声辐射辅助的聚合过程有助于形成具有增强稳定性的超螺旋结构。

图3. 超螺旋结构随时间的结构演变

【由ZLL-NCAs和ZDL-NCAs的外消旋单体合成的立体嵌段共聚物的微观结构和合成分析】

图4通过透射电子显微镜(TEM)图像和相关光谱分析，展示了由消旋单体ZLL-NCAs和ZDL-NCAs通过mPEG113-NH₂引发的聚合反应生成的PEG113-b-PZDLLn系列嵌段共聚物的微观结构和立体选择性行为。在聚合初期，观察到左手和右手螺旋的共存，随着时间的推移，这些螺旋逐渐交织形成直径约为16-17纳米的超螺旋结构。尽管超声辐射可能导致结构长度减少，但交织的超螺旋结构在90分钟的孵化时间后仍然持续存在。通过圆二色谱(CD)和衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)分析，确认了聚合物的二级结构主要为β-折叠，且在聚合过程中保持不变，与嵌段共聚物的聚合度无关。此外，研究还发现，通过超声辐射辅助的聚合反应得到的聚合物比在二氯甲烷(DCM)中聚合得到的聚合物具有更高的立体选择性，这表明水相聚合过程中的超分子组装结构作为模板，促进了从消旋单体中选择性地形成同手性分子的迭代过程。这些发现为理解生命起源中同手性生物大分子的形成提供了新的视角，并为合成具有特定立体化学的多肽开辟了新途径。

图4. 由ZLL-NCAs和ZDL-NCAs的外消旋单体合成的立体嵌段共聚物的微观结构和合成分析

【模板对ROPISA共聚物的影响】

图5通过透射电子显微镜(TEM)图像展示了在聚合过程中模板对手性放大现象的影响。实验中，首先使用消旋单体ZLL-NCA进行聚合，形成了右手超螺旋结构，随后加入ZDL-NCA继续聚合。结果表明，最初形成的超螺旋结构作为模板，能够调控随后加入的单体的聚合手性，即使在消旋混合物中也能实现手性的放大和传递。随着聚合度(DPPZLL)的增加，观察到的右手超螺旋结构的比例逐渐增加，这证实了模板结构对手性选择性聚合过程的显著影响。这些发现进一步支持了超声辐射辅助聚合过程中超分子组装结构作为立体选择性模板的观点，为制备具有特定手性的多肽和理解生命起源中同手性生物大分子的形成提供了新的策略和见解。

图5. 模板对ROPISA共聚物的影响

【小结】

该研究提出了一种新颖的策略，通过超声辅助的层级手性组装，方便地制备了对映体富集的多肽。这项研究不仅提供了一种在无催化剂环境下，通过水相聚合诱导自组装（ROPISA）技术，快速合成具有高度立体选择性的多肽的有效方法，而且为理解生命起源中从消旋前体物质中产生生物相关同手性大分子的基本过程提供了深刻见解。研究结果表明，通过超声辐射可以显著加速聚合反应的速率，实现高转化率和窄分散度的多肽合成，同时通过控制聚合条件，可以调节多肽的二级结构和超螺旋组装形态。此外，该研究还展示了在聚合过程中，如何通过超分子组装结构作为模板来调控立体选择性，从而为合成具有特定序列和构型的多肽提供了新的思路。这些发现不仅对发展下一代层级手性材料具有重要意义，而且对探索生命起源中同手性多肽的形成机制具有启发性作用。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/jacs.4c03281