Small:多肽分级组装中的驱动力及协同作用机制

自组装是自然界构筑有序结构和复杂功能的重要策略,也是近二十来跨越多个学科的研究热点。自组装研究不仅有助于揭示自然界的奥秘,而且在此基础上人们可以师法自然,通过自组装途径人工构筑具有新颖结构的功能材料。在诸多组装基元中,多肽分子自组装近年来受到广泛关注,除了其固有的生物相容性和生物可降解性外,还可以通过合理的序列设计赋予其特定的物理化学性质和生物功能。一些多肽自组装体系在组织工程、再生医学、药物释放、肿瘤治疗、生物成像等领域业已显示出潜在的应用价值。

与传统的有机小分子和合成聚合物相比,多肽分子特有的结构特征,例如多肽主链肽键的重复排列、侧链官能团的多样化以及α-碳的手性,赋予了多肽分子间丰富的相互作用力。这些组装驱动力包括氢键、静电作用、疏水作用、π-π相互作用、金属离子配位作用等。尽管多肽自组装被普遍认为是一个分级组装过程(hierarchical self-assembly),但对于各种驱动力在分级组装过程的作用和地位,以及它们之间的协同作用模式,目前还缺乏一个较为清楚的认识,从而限制了对多肽自组装过程、组装体结构和功能的有效调控。

螺旋肽的分子设计与可控组装

最近,中国石油大学(华东)生物工程与技术中心徐海教授团队在多肽自组装驱动力协同作用机制与分级组装调控方面的研究取得了重要进展。他们设计了一组含有28个氨基酸残基的α-螺旋肽,通过圆二色性光谱仪、原子力显微镜、小角中子散射等技术并结合分子模拟手段,研究了α-螺旋肽的分级自组装过程。工作系统展示了氢键、疏水相互作用、静电相互作用和金属离子配位等四种组装驱动力在多肽自组装过程中的协同作用机理和多肽的分级组装机制。通过对不同驱动力在不同组装层级上的合理调控,得到了不同形貌和结构的纳米组装体。这项工作提供了一类具有通用性的分子自组装模型,可以用于不同生物分子自组装过程的研究,有助于系统理解自组装驱动力之间的关系和分子相互作用机理。此外,该工作还为生物超分子功能体系的分级构筑提供了可以借鉴的策略,如纳米原纤维的分级组装、含金属离子活性中心的多肽组装体等,这些组装结构可用于生物功能材料和仿生催化等领域。相关论文发表在Small (DOI: 10.1002/smll.202003945)上,并被选为当期封面文章。

在国家自然科学基金委的资助下,徐海教授及其研究团队一直致力于多肽分子自组装及功能化的研究,特别是短肽自组装手性传递规律、多肽分级组装机制和肽基超分子生物材料等方向的研究。