Adv Sci | 丁明明团队开发仿生聚电解质变构放大实现铁代谢超灵敏成像|丁明明|侧链|构象|聚电解质|荧光|铁代谢|铁离子

蛋白质之所以能够执行复杂的生物学功能，其构象变化往往起到关键作用。例如，血红蛋白、钙调蛋白和荧光蛋白的构象转变，直接影响了分子运输、信号传导、催化和发光等重要生物学过程【1-5】。受此类生物现象的启发，研究者已开发出多种可通过外部刺激触发构象变化的合成聚合物。然而，对于这些合成体系，尤其是水溶性聚电解质而言，侧链电荷间的静电排斥作用使得有序构象的维持极为困难【6】。值得注意的是，目前还没有一种水溶性、非肽类的聚电解质能够在生理 pH 值范围内既保持稳定且明确的二级结构，又能在特定生理环境刺激下发生构象转换的相关报道。

近日，四川大学丁明明教授团队在Advanced Science杂志上发表题为Conformational Transduction Amplification in a Biomimetic Polyelectrolyte for Ultrasensitive Imaging of Iron Metabolism的文章。该研究报道了一类基于脲键的拟肽聚电解质-聚脲基酸（PUA），该聚合物不仅在高电荷密度下能够维持折叠与螺旋两种构象，还实现了这两种构象之间可逆切换。更有趣的是，折叠构象可通过多齿螯合Fe³⁺触发向螺旋构象的转变，进而诱导非线性、超灵敏的荧光淬灭效应。基于此，研究团队成功实现了在亚细胞及小鼠体内对铁离子分布与代谢路径的实时追踪。这项研究为合成聚电解质的变构调控提供了新的方法，也为设计面向先进传感与成像应用的智能仿生材料提供了新路径。

为了构筑兼具高电荷密度和有序构象的聚电解质，该团队以赖氨酸和胱氨酸衍生物为原料，通过室温界面聚合及脱保护，制备了主链含脲键、侧链带羧基的阴离子聚电解质。圆二色谱、傅里叶红外光谱、二维核磁及计算机模拟结果共同表明：在酸性和中性条件下， PUA 借助脲键与侧链羧基之间的 n-π 共轭相互作用形成折叠结构；而在碱性条件下，羧基去质子化破坏了主链与侧链间的氢键网络，同时主链脲键之间的氢键作用增强，从而驱动构象向螺旋转变。作为对照，消旋聚合物（ RPUA ）仅呈现无规卷曲结构，进一步证实了手性对有序构象的决定性作用。

通常情况下，非共轭聚合物的荧光发射集中在蓝光区域，且在水相中极易发生猝灭【7】。然而， PUA 在稀溶液中却表现出强的荧光发射；在浓溶液或固态薄膜中，其发射峰红移至 830 nm ，这是目前报道的非共轭聚合物中最长的发射波长。该团队进一步结合紫外吸收光谱和计算机模拟等手段，揭示了这一近红外发光分子机制：有序构象使主链中的羰基紧密堆积，并通过空间共轭（ TSC ）形成簇。 830 nm 的发射波长和超过 110 nm 的斯托克斯位移，赋予 PUA 在生物成像领域显著的先天优势。

此外，当 Fe³⁺ 加入 PUA 溶液后，荧光在 50–90 μmol /L 的极窄浓度窗口内猝灭超过 80% ，呈现非线性荧光淬灭效应；相比之下，无序的 RPUA 则表现为线性荧光猝灭。这表明极少量的 Fe³⁺ 即可触发巨大的荧光信号变化，从而显著提高了对 Fe³⁺ 的检测灵敏度，其检出限比目前已报道的铁离子探针低 3 - 10 倍【8-10】。通过 X 射线光电子能谱技术（ X PS ）、二维红外相关光谱（ 2D IR ）和穆斯堡尔谱等数据分析，研究进一步揭示了配位机制： Fe³⁺ 可与 PUA 中的脲键和羧基同时配位，且优先与脲键结合；而在 RPUA 中， Fe³⁺ 仅与羧基配位。

最后，研究团队将 PUA 聚合物偶联 Cy5 染料，构建了比率型荧光探针 —— 聚合物通道对 Fe³⁺ 响应而发生荧光猝灭， Cy5 通道作为内参保持恒定。在 MCF-7 乳腺癌细胞中， PUA 探针在 10 μmol /L 外源 Fe³⁺ 刺激下即发生快速而显著的荧光 “ 关闭 ” 现象，而对照组 RPUA 的响应较弱。共定位分析表明，胞内铁离子的代谢路径为先经溶酶体，再转运至线粒体和内质网，这一动态过程与已知的铁代谢途径完全吻合，而常规铁离子探针难以识别胞内如此微量的铁。在此基础上，活体成像实验进一步显示，该聚合物可在近红外通道实时追踪铁离子在小鼠体内的脏器分布：铁离子先到达肺部，随后转移至肾脏，最后富集于肝脏。组织切片和血清生化分析结果均证实，该聚电解质具有良好的生物相容性和安全性。总体而言，这些结果表明 PUA 是一种安全、高灵敏度的大分子平台，有望用于铁代谢相关疾病的体内生物成像与治疗。

综上所述，该研究开发了一类拟肽聚电解质，成功解决了水介质中高电荷密度与有序构象长期难以兼顾的矛盾，并赋予了材料构象介导的近红外发光特性。同时，该聚电解质能特异性结合铁离子，触发构象转变并产生非线性荧光猝灭效应。利用这些特性实现了对铁离子在体内外的超灵敏识别及代谢追踪。这项工作不仅为大分子–金属相互作用提供了新见解，也为发展先进生物传感和医学成像提供了一类智能高分子材料。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.76185

制版人：十一

参考文献

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