非结构化肽的超分子组装形成刚性束状聚合物

《Nanoscale》：Supramolecular assembly of unstructured peptides into rigid bundlemer polymers

1. 通过点击化学将N端连接的15-residue肽链聚合成纳米级刚性纤维，突破传统三周期螺旋稳定性的限制，实现超分子折叠驱动的高长径比组装，并揭示短肽链的组装新机制。

　　这项研究探讨了一种利用非结构化设计的15个残基肽序列通过硫醇-马来酰亚胺点击化学反应进行N端共价连接的方法，从而形成具有2纳米宽度和超过5微米长度的螺旋状、杆状聚合物。这种自组装过程是超分子聚合的一种新形式，与传统结构化的螺旋结构在形成共聚物时的逐步增长聚合机制有所不同。通过这种方法，科学家们发现即使较短的肽序列也可以在特定条件下形成稳定的杆状结构，这为合成具有动态特性的生物材料提供了新的思路。

在自然界中，α-螺旋形成肽能够通过寡聚体螺旋结构提供结构稳定性和动态功能，这些特性不仅存在于天然蛋白质中，也广泛应用于合成生物材料，如响应性水凝胶、分子开关和折纸纳米结构。螺旋结构肽通常具有一个重复的疏水和亲水残基模式，这种模式由七个氨基酸组成，称为“七元组”或“heptad”。在水环境中，这种排列促使α-螺旋折叠，使得疏水侧链朝向螺旋的一侧，从而促进两亲性组装形成螺旋结构。然而，结构稳定性随着肽长度的增加而提高，通常需要至少两个七元组才能形成稳定的螺旋结构，而没有额外的稳定相互作用，如盐桥、共价支架或其他交联。

计算设计方法能够生成在多种温度、pH和盐浓度条件下具有优异稳定性的螺旋结构。设计的螺旋结构束（bundlemers）可以作为超分子单体单元，用于构建复杂的晶体结构。这些方法能够实现从头设计和工程，包括对表面电荷和疏水相互作用的控制，以驱动可控的组装过程。研究还表明，束状结构可以通过引入互补的点击功能基团，在N端进行共价连接，从而形成具有刚性结构的杆状聚合物。这种机制依赖于束状结构之间的端到端反应，与传统的N端到C端共价连接不同。

研究进一步探索了不同束状结构之间的组合，例如将一个超高稳定性的束状结构与一个在较低温度下展开的束状结构结合。通过加热至90°C，可以破坏较不稳定的结构，从而解聚杆状结构，而冷却后则可以重新聚合。这种可逆的组装过程表明，杆状结构的形成可能遵循一种通用的机制，即通过非结构化的“粘性”末端进行组装。为了直接验证这一机制，研究使用了一个缩短的两七元组系统。

在此研究中，一个已知的四七元组（29个残基）螺旋结构形成肽BNDL29被截断，形成了一个较短的两七元组（15个残基）变体BNDL15-TR。BNDL29是一种计算设计的四聚体螺旋结构，其展开温度超过90°C。尽管通常少于三个七元组的肽序列无法形成稳定的螺旋结构，但研究假设BNDL15-TR通过N端共价连接可以形成具有粘性末端的临时四聚体中间体，从而促进进一步的组装形成超束状聚合物。缩短肽长度不仅有助于探索杆状结构的形成机制，还提供了实际优势，如提高合成产率和降低成本。

在实验中，BNDL15-TR被合成，并通过在N端引入硫醇或马来酰亚胺功能基团进行化学修饰。这些修饰显著提高了BNDL15-TR的螺旋性，分别达到16%和22%。虽然这些肽在孤立状态下几乎不形成螺旋结构，但通过N端共价连接，它们能够形成具有粘性末端的杆状结构。这种机制不同于传统的化学连接，而是依赖于新的四螺旋单元的连续折叠，从而实现杆状结构的延长。

研究还通过圆二色光谱（CD）分析验证了BNDL29和BNDL15-TR的结构特性。BNDL29表现出典型的α-螺旋结构特征，其CD光谱在208 nm和222 nm处有明显的最小值，而在195 nm处有最大值。相比之下，BNDL15-TR在200 nm处有主要的最小值，表明其结构为随机卷曲。然而，当BNDL15-TR被化学修饰并进行N端共价连接后，其结构发生了显著变化，形成了具有较长长度的杆状结构。

通过冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）观察发现，BNDL15-TR形成的杆状结构与BNDL29形成的杆状结构具有相似的直径（约2纳米），但长度显著延长，甚至超过5微米。这表明，即使较短的肽序列也能通过非结构化的粘性末端实现有效的组装，从而形成具有更长长度的杆状结构。这种机制不仅提高了杆状结构的长度，还使得杆状结构的生长过程更加可控，避免了传统化学连接中由于反应端基比例限制而导致的生长受限。

此外，研究还发现，通过N端共价连接形成的BNDL15-TR杆状结构具有更均匀的直径，这与传统化学连接形成的杆状结构不同。传统化学连接通常涉及多个纳米纤维之间的横向相互作用或链缠结，导致直径更大且更不均匀。相比之下，BNDL15-TR形成的杆状结构具有更长的长度和更均匀的直径，这表明其生长过程主要依赖于端到端的组装。这种机制为合成具有动态特性的生物材料提供了新的途径，同时也展示了非结构化肽序列在特定条件下的自组装潜力。

研究结果还表明，即使普通的两七元组肽序列，如BNDL15-TR，通过N端共价连接也能形成稳定的杆状结构。这可能是因为在聚合过程中，这些肽序列能够通过相互作用形成稳定的疏水核心，从而促进结构的稳定。这种发现强调了束状结构自组装对序列截断的高容忍性，同时也突出了该设计的七元组模块性。通过这种策略，科学家们能够绕过通常需要三个七元组才能形成稳定螺旋结构的限制，从而提供一个更短、更具合成优势的15个残基序列，用于构建具有稳定性和动态性的超分子纳米材料。

总的来说，这项研究展示了通过N端共价连接实现非结构化肽序列的自组装潜力，为合成具有动态特性的生物材料提供了新的方法。这种机制不仅能够形成具有较长长度的杆状结构，还能够避免传统化学连接中由于反应端基比例限制而导致的生长受限。此外，研究还揭示了这种自组装过程的通用性，表明其他螺旋结构肽也可以通过类似的策略实现粘性末端介导的聚合。这些发现不仅拓展了螺旋结构肽的设计空间，还为开发具有动态特性的生物材料提供了新的思路。