金属-肽链自组装构建60交叉点十二面体网络结构的M60L60纳米胶囊

这篇研究报道了通过金属配位诱导肽链折叠与穿线，成功构建了具有60交叉点十二面体拓扑结构的M60L60金属-肽纳米胶囊（直径6.3 nm，空腔34,000 ?3）。该工作利用铜离子(Cu+)与五肽配体(PPXPraP)的可逆配位作用，实现了三叶结(trefoil knot)单元的空间编织，形成具有Goldberg T=3多面体对称性的稳定框架，为巨型分子自组装和拓扑材料设计提供了新范式。

　　

金属-肽链自组装构建60交叉点十二面体网络结构

研究背景
自然界中蛋白质通过α螺旋和β折叠等二级结构形成复杂拓扑结构，而病毒衣壳等生物大分子组装体则展现出精妙的链缠结网络。受此启发，研究者利用金属配位键的可逆性，使肽链在折叠过程中实现"穿线"行为，突破了传统肽链构象限制。前期工作已构建12交叉点四面体连接和24交叉点立方体连接结构，本研究通过几何控制策略将这一系列扩展至60交叉点的十二面体连接结构。

核心发现
研究团队设计含炔丙基甘氨酸(Pra)的五肽配体PPX^PraP，其炔基作为第三配位点与Cu⁺形成三角平面配位构型。在硝基甲烷中自组装后，60个Cu⁺与60个配体自发形成直径6.3 nm的M₆₀L₆₀纳米胶囊，内部空腔达4 nm（34,000 ?³）。X射线晶体学解析显示，该结构具有三重交织特征：

1. 十二面体连接拓扑：12个五元环相互穿套形成60个交叉点，符合数学上的十二面体空间图理论。
2. 三叶结单元网络：20个右旋三叶结(trefoil knot)通过炔基-Cu⁺连接，构成类富勒烯C₆₀的截角二十面体排布。
3. Goldberg T=3多面体：符合六边形-五边形镶嵌规则，为迄今金属-有机组装体中最高阶的Goldberg多面体实例。

技术突破
同步辐射X射线衍射（1.2 ?分辨率）揭示了炔基配位诱导的肽链构象转变：配体从S型折叠变为U型折叠，促使组装体从M₂₄L₂₄立方体跃迁至M₆₀L₆₀十二面体。核磁共振（DOSY）显示扩散系数log D=-10.1，SAXS证实溶液相尺寸与晶体结构一致。该结构展现出非凡稳定性：耐80℃高温、抗50倍稀释、空气中稳定90天，归因于缠结网络的机械强化和三角配位对Cu⁺氧化的抑制。

功能拓展
通过在脯氨酸γ位引入二甘醇单甲醚(DEG)链，成功构建表面修饰的Cu₆₀(2g)₆₀胶囊，证明框架可修饰性。对比实验显示配体细微变化导致组装差异：延长炔基碳链得M₁₅L₁₂笼，氰甲基配体则形成M₃L₄小环，凸显组装过程对配体构象的敏感性。

理论意义
该工作提出"几何控制"新概念：通过多面体几何约束预测分子组装路径。十二面体连接作为三价正多面体（四面体-立方体-十二面体）系列的终极形态，其实现证实了拓扑理论指导分子设计的可行性。研究还发现三叶结单元可作为通用构建模块，为设计M₁₈₀L₁₈₀等高阶Goldberg多面体指明方向。

应用前景
这类具有原子级精确空腔的纳米胶囊，为蛋白质封装、纳米材料模板合成提供新平台。其拓扑保护效应可增强生物分子稳定性，而表面修饰能力则利于功能化开发。该策略将推动数学拓扑学与合成化学的深度融合，为仿生材料、药物递送和分子机器等领域带来新机遇。

研究方法
实验采用[Cu(MeCN)₄]BF₄与配体在硝基甲烷中自组装，乙醚蒸汽扩散法培养单晶。通过SPring-8同步辐射光源收集衍射数据（空间群R32），采用几何限制法解析结构。辅以¹H NMR、ESI-MS、SAXS、XPS等多手段表征。拓扑分析结合Knot理论（链缠结）和Graph理论（空间网络）双重描述体系。