水环境超分子聚合物动态组装的精准原位解析：肽两亲物(PA)的二元组装机制与动态调控

研究人员针对水相超分子聚合物组装路径复杂、动态行为难以解析的挑战，开发了组合滴定方法学，原位揭示了肽两亲物(PA)由球状胶束向β-折叠聚合物的二元平衡机制，发现氢键减弱会促进超分子动态性，并在双组分共聚体系中观察到序列错配度降低导致嵌段纳米结构形成。该研究为设计功能化超分子材料提供了动态调控新策略，发表于《Nature Communications》。

　　

在自然界中，蛋白质通过非共价相互作用形成动态纤维结构（如细胞骨架），这种特性启发了合成超分子材料的发展。肽两亲物(Peptide Amphiphiles, PA)作为经典模型分子，能自组装成类似生物纳米纤维的结构，但其水相组装过程存在复杂动力学陷阱，传统冷却法难以解析。更棘手的是，多组分共聚体系的相分离机制与动态行为尚不明确，严重制约了功能化材料的精准设计。

为破解这些难题，美国西北大学和荷兰埃因霍温理工大学的研究团队合作开发了组合滴定方法学，结合原位光谱、散射技术和热力学建模，首次绘制了PA组装的全景图谱。研究发现PA系统存在胶束与聚合物二元平衡，氢键强度直接调控内部有序性及动态交换速率；双组分共聚时，序列错配度降低会形成嵌段结构而非完全相分离。该成果发表于《Nature Communications》，为仿生动态材料设计提供了定量化指导。

关键技术包括：1）精密控制NaOH滴定速率（0.5 mL/h）诱导热力学平衡组装；2）圆二色谱(CD)定量β-折叠含量φ_β-sheets；3）氢氘交换质谱(HDX-MS)解析单体交换动力学；4）同步辐射小角X射线散射(SAXS)表征纳米结构；5）全内反射荧光显微镜(TIRF)可视化共聚物相分离。

结果部分核心发现：

Probing the formation of PA supramolecular homopolymers
通过NaOH滴定触发PA-1（C₁₆V₃A₃K₃）从随机卷曲胶束（195 nm负峰）向β-折叠聚合物（203/220 nm双负峰）转变，CD滴定曲线显示临界[NaOH]/[PA]比为4时发生组装跃迁。SAXS和TEM证实组装体仅存在两种形态：球状胶束（d≈10 nm）和宽度恒定的纳米带（W≈8.2±1.3 nm），符合二元模型。

Mechanism of the micelle-to-polymer transformation
热力学模型揭示PA-1的聚合驱动力（ΔG=-8.2 kJ/mol）显著高于PA-3（C₁₆A₃G₃K₃）。Hill系数n_H≈10表明胶束去质子化具有高度协同性，约3-10个单体同步解离触发组装转变，表观p_Ka从PA-1的7.85升至PA-3的9.60。

Internal structures and dynamics
β-折叠扭曲程度随肽序列疏水性降低（Val>Ala>Gly）而减弱：PA-1的CD峰强度（220 nm处[θ]=-35 mdeg）比PA-3高3倍。HDX-MS显示96小时后PA-3单体完全氘代比例φ_PA17D达86%，远高于PA-1（16%），证实弱氢键促进动态交换。

Two-component supramolecular copolymerization of PA
PA-1/PA-2共聚时CD强度非线性变化（φ_β-sheets偏离加和性），TIRF显示均匀混合；而PA-2/PA-3体系保留各组分动力学特征，形成纳米级嵌段结构。HDX-MS揭示PA-3在共聚物中交换速率降低50%，说明错配序列阻碍完全相分离。

结论与意义
该研究建立了水相超分子聚合的定量解析框架：1）提出"胶束-聚合物二元平衡"新机制，证明氢键强度通过调控内部有序性（β-sheet twist）决定动态性；2）发现序列错配度可精确控制共聚物嵌段长度，为生物信号空间编排提供新思路。这些发现不仅解释了脊髓损伤修复材料中PA共聚物的协同效应（Stupp组前期工作），更为设计环境响应型电子器件和自适应医用凝胶开辟了道路。方法学创新如原位滴定- HDX-MS联用技术，可拓展至其他刺激响应组装体系的研究。