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【编辑推荐】为探究 β- 螺旋（β-helix）结构 - 功能关系及开发其应用，研究人员设计自组装蛋白 β- 螺旋。发现其形成纳米级圆柱结构，可调控细胞生长、介导基因递送。该研究为解析机械生物学及开发多功能生物材料提供新方向。
在生命科学领域，蛋白质折叠基序的研究一直是揭示生物复杂性的核心方向。天然蛋白质通过各类折叠基序构建功能结构，如 α- 螺旋、β- 折叠等已被广泛研究，然而 β- 螺旋（β-helix）这一由平行 β- 链以螺旋重复模式形成的基序，其结构 - 功能关系却鲜少被解析，相关应用更是亟待开发。尽管天然 β- 螺旋蛋白广泛存在于裂解酶、转移酶等功能蛋白中，但其自组装能力及多功能生物应用潜力长期未被挖掘，如何设计并赋予 β- 螺旋独立的生物功能成为领域内的关键科学问题。
为突破这一局限，英国国家物理实验室（National Physical Laboratory）等机构的研究人员开展了系统性研究。他们通过合理设计，利用 18 个氨基酸的基本序列构建了可自组装的蛋白质 β- 螺旋，并深入探索其结构特征与生物功能。研究成果发表于《Nature Communications》，为生物材料设计与机械生物学研究开辟了新路径。
研究人员综合运用多种关键技术方法：通过分子动力学模拟（MD simulations）预测 β- 螺旋的组装模式与稳定性；利用圆二色光谱（CD spectroscopy）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）验证 β- 螺旋的二级结构特征；借助透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）观察纳米级圆柱结构的形态与尺寸；采用细胞增殖实验（如 PrestoBlue?、MTT assays）、基因递送实验（siRNA 和 pDNA 转染）及抗菌实验评估其生物功能。
结果分析
β- 螺旋的设计与组装
研究人员从半乳糖苷乙酰转移酶中提取 β- 螺旋区域（PDB: 1KRR），设计含 18 个氨基酸的三角形单元，其通过非共价作用组装成左手螺旋的圆柱结构，直径约 3-4 nm，轴向上升 0.47 nm。分子动力学模拟显示，结构通过氢键、疏水作用及色氨酸（W）- 天冬酰胺（N）梯子稳定，X 射线衍射（XRD）和圆二色光谱证实其 β- 结构特征，热变性实验表明结构在 80°C 下仍稳定可逆。
纳米结构的生物学功能
- 细胞行为调控：SaBeH 水凝胶形成致密地毯状支架，支持 HeLa 细胞和人真皮成纤维细胞（HDFs）在 3D 环境中增殖。细胞呈现多极形态，形成片状伪足，迁移模式表现为异常扩散，提示其通过物理相互作用而非特定生物信号调控细胞行为。
- 基因递送能力：带正电荷的 β- 螺旋可与 siRNA、质粒 DNA（pDNA）结合，通过能量依赖且非内体途径递送核酸，在 2D 和 3D 培养中均实现基因转染，为无病毒载体的基因递送提供新策略。
- 抗菌效应：阳离子表面通过破坏细菌膜抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生长，最低抑菌浓度（MIC）显示其抗菌活性依赖组装结构，为开发抗菌生物材料提供思路。
结论与意义
该研究首次成功设计自组装 β- 螺旋，证明其可作为独立多功能基序。其纳米级圆柱结构兼具物理支撑、基因递送和抗菌特性，为构建 “一材多用” 的生物材料奠定基础。例如，在组织工程中，可同步支持细胞生长、抑制细菌感染并实现基因编辑，避免传统系统中多组分协同的复杂性。此外，研究揭示 β- 螺旋通过物理形貌而非生物配体调控细胞行为，为解析机械生物学（mechanobiology）提供了新模型。未来通过引入特异性生物信号，有望进一步优化其功能，推动其在再生医学、精准治疗等领域的转化应用。
这项工作不仅填补了 β- 螺旋自组装研究的空白，更展示了通过合理设计蛋白质基序开发多功能生物材料的潜力，为跨学科融合的生物医学研究提供了创新范式。
