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手性传递：一种氨基酸小分子决定了微米级的结构手性
生命起源一直是科学界捉摸不透的难题。作为蛋白质的构建模块，氨基酸是生命不可或缺的基本单元。自然界里，除了极少数用于构建细菌细胞膜的氨基酸是ᴅ型，绝大多数氨基酸都是L型，而这种形成机制尚未知晓。最近，美国密歇根大学化工系Nicholas A. Kotov（点击查看介绍）课题组发现，一种手性氨基酸小分子(半胱氨酸)就可以决定微米级螺旋结构的扭曲方向。半胱氨酸属于20种天然氨基酸之一，在这项工作里它是作为修饰碲化镉（半导体材料）纳米粒子的表面配体。研究发现，采用L型半胱氨酸修饰的纳米粒子组装成的螺旋体几乎都是左旋结构，而采用ᴅ型半胱氨酸修饰的纳米粒子组装成的螺旋体几乎都是右旋结构。考虑到史前的地球上可能有大量的纳米粒子存在，微观上的L型氨基酸能否通过手性传递影响着自然界一系列单一手性的介观/宏观现象，比如非对称矿物晶、曲型细菌、植物蔓藤和海螺贝壳等。该项研究通过对氨基酸/纳米粒子这一最小单元的手性自组装过程进行研究，为生命的起源提供了科学的解释。
图. ᴅ或L型半胱氨酸作为碲化镉纳米粒子的配体。粒子组装后将分别形成左旋或右旋螺旋。在圆二色谱上，这两种螺旋有着正负相反的广谱(包含近红外区间)旋光强度。
研究发现螺旋组装体的旋转方向只由吸附在纳米粒子上的氨基酸的手性决定，并且氨基酸的调制特异性很强，对映体过剩率【[(左旋-右旋)/(左旋+右旋)]×100%】可达98%以上。尽管手性氨基酸诱发的手性场信号比较微弱，但多个纳米粒子的共同作用可显著增强手性势场，致使所有螺旋组装体都沿着同一个扭曲方向发展。另外，即使有等量的L和ᴅ型纳米粒子共同进行自组装，最终的螺旋组装体仍然是单纯的左旋或右旋结构,数量各半。同一螺旋结构上的内消旋或者平直纳米带现象都没有出现，充分显示了强大的手性自我排序功能。它赋予了相同手性的纳米粒子更强的相互作用，而相反手性的纳米粒子则只能选择“默默”地离开。
以Maxwell电磁理论为基础的光电模拟计算，不仅成功地重复了实验得到的圆二色性谱图，还显示了如何从螺旋几何参数上对旋光活性及旋光波长范围进行调控。通过模拟计算还发现半导体螺旋的旋光性质和金属、高分子或陶瓷类材料有显著区别。由于金属粒子的等离子体激元共振效应，同样尺度的金属螺旋结构具有更强的红外旋光活性。然而高分子或陶瓷材料对光的散射作用较弱，加上自身吸光能力不强，导致高分子或陶瓷材料螺旋结构的旋光活性偏弱。半导体螺旋结构的旋光活性则正好介于这两者之间，拥有比较均衡的吸收和散射截面，并且半导体材料的带宽和载流子迁移率都易于调控，这是金属或者其它材料并不具备的优势。所以基于半导体螺旋结构的新型旋光调制元件将有良好的发展前景。这种广谱旋光敏感半导体螺旋结构预期可以在手性催化、生物工程、通讯领域、高光谱影像和短波红外成像等一系列高新技术上发挥核心作用。目前Kotov课题组正在积极地进行相关应用的探索。
这项成果发表在2017年3月1日的《Science Advances》上，第一作者为密歇根大学的博士后冯文春。
该论文作者为：Wenchun Feng, Ji-Young Kim, Xinzhi Wang, Heather A. Calcaterra, Zhibei Qu, Louisa Meshi and Nicholas A. Kotov
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Assembly of mesoscale helices with near-unity enantiomeric excess and light-matter interactions for chiral semiconductors
Sci. Adv., 2017, DOI: 10.1126/sciadv.1601159
导师介绍
Nicholas A. Kotov
http://www.x-mol.com/university/faculty/35073