基于侧链反应性与非生物磷酸酯自组装的定向肽键形成机制研究

研究人员针对水溶液中肽键随机形成的问题，通过设计氨基酸基磷酸酯（aminoacyl phosphate esters）模拟生物氨基酰腺苷酸，利用侧链调控反应性和自组装特性，实现了正电荷/芳香族氨基酸的选择性掺入。该研究揭示了磷酸酯结构（乙基vs苯基）与组装体微环境对共价自排序（covalent self-sorting）的调控作用，为无酶条件下定向肽链合成提供了新策略。

　　

在生命起源和合成生物学领域，肽键的定向形成一直是核心挑战。生物体内依赖核糖体与氨基酰-tRNA的精密协作，而体外模拟这一过程通常需要复杂催化剂或极端条件。现有化学方法如N-羧基酸酐（NCA）聚合、氧化还原活性凝聚层等，往往面临选择性差、副反应多或环境兼容性低等问题。如何在水相中实现类似生物系统的选择性肽键形成，成为突破合成生物学瓶颈的关键。

德国弗莱堡大学Charalampos G. Pappas团队在《Nature Communications》发表研究，通过仿生设计氨基酸基磷酸酯（aminoacyl phosphate esters），揭示了自组装微环境驱动肽键选择性的新机制。研究采用超分子化学与反应动力学相结合的策略，利用UPLC-MS定量分析、冷冻电镜（Cryo-TEM）观测组装体动态、荧光光谱追踪芳香堆叠等关键技术，系统考察了磷酸酯结构（R³=乙基/苯基）与氨基酸侧链（R²）的协同效应。

【设计能聚集的氨基酸基磷酸酯】
团队设计了两类分子：N端游离型（系列1）和Boc保护型（系列2）。通过引入Fmoc、苯甲酰基等芳香基团修饰苯丙氨酸对位，结合乙基/苯基磷酸酯的极性差异，构建了兼具反应性与组装能力的活化氨基酸库。动态光散射（DLS）证实Boc-F(4-NH-Fmoc)EP（2b）可形成6-19 nm球形聚集体，而苯基磷酸酯衍生物（3）则产生更大组装体。

【从随机性到选择性】
对比Boc-FEP（2a）的随机偶联（半衰期2.2 h），具有Fmoc修饰的2b通过自组装将半衰期延长至49.5 h，并实现60%精氨酸（R）选择性掺入。共聚焦显微镜显示R偶联产物促进聚集体尺寸增长，而乙腈或高盐条件破坏组装后选择性消失。非天然氨基酸实验进一步证明，对位胍基修饰的苯丙氨酸（F(4-guanidine)）同样被优先选择，揭示了静电相互作用的主导地位。

【磷酸酯调控的偶联效应】
将乙基磷酸酯替换为苯基（3）后，芳香堆叠作用增强，使得色氨酸（W）在二肽DW中的偶联效率显著提升。冷冻电镜显示3的组装体呈现独特纤维状结构，而UPLC-MS分析证实其对含芳香族二肽的选择性比2b提高3倍。这种"结构-选择性"的定量关联为定制肽序列提供了新思路。

【共价自排序与共组装】
N端游离型磷酸酯（如1b与1f）的共混实验发现：当存在芳香堆叠（1f）或静电作用（1e）时，形成异源寡聚体；而带羧基的1g则与1b发生相分离，产生自排序的同源寡聚体。流变学测试表明共组装能增强材料力学性能，为功能性肽基材料设计提供了新范式。

该研究开创性地证明：磷酸酯自组装可通过微环境隔离调控反应活性，结合侧链化学特性（电荷/芳香性）实现肽键的选择性形成。相比传统方法，这种水相、无酶策略能克服天冬氨酸（D）等难偶联残基的限制，甚至通过二肽底物扩展序列兼容性。未来通过精确设计磷酸酯结构与组装动力学，有望实现多步定向肽合成，为原细胞构建和自适应材料开发提供新工具。