解锁亲疏水性低共熔溶剂对蛋白质结构与稳定性的全组分调控机制

本研究通过表面修饰技术实现蛋白质在亲疏水性低共熔溶剂(DESs)中的普适性溶解，揭示DESs极性(π*)与氢键能力(α/β)分别调控蛋白质三级/二级结构的规律。在胆碱氯化物-甘油(ChCl:Glyc)体系中使肌红蛋白(C-Mb][S])热稳定性提升28°C，而疏水性DESs可稳定190°C高温下的部分折叠中间体。该成果为生物催化、药物递送和生物材料设计提供了溶剂工程新范式。

　　

在生物技术领域，如何维持蛋白质在非水环境中的结构与功能一直是重大挑战。传统水溶液体系存在热稳定性差、有机溶剂兼容性低等问题，而新兴的低共熔溶剂(DESs)虽展现出独特优势，但其蛋白质溶解范围长期局限在亲水性体系。这种局限性严重制约了DESs在生物催化、生物制药等领域的应用潜力。

为突破这一瓶颈，西班牙研究团队创新性地采用表面修饰策略，将阳离子化肌红蛋白(C-Mb)与月桂基醚表面活性剂(S)结合形成纳米复合物(C-Mb][S])，系统研究其在三类DESs中的构效关系。该成果发表于《Communications Chemistry》，揭示了DESs组分设计对蛋白质行为的精细调控机制。

研究团队运用三大关键技术：1) 表面修饰构建蛋白质-聚合物表面活性剂纳米复合物；2) 同步辐射圆二色(SRCD)和小角中子散射(SANS)联用解析多尺度结构；3) 温度依赖性实验结合Kamlet-Taft溶剂参数定量分析。通过对比胆碱氯化物-甘油(ChCl:Glyc)、四丁基氯化铵-甘油(TBAC:Glyc)和四丁基氯化铵-辛酸(TBAC:OA)三种DESs体系，获得以下重要发现：

【结构表征】SRCD显示ChCl:Glyc维持近天然构象(α-螺旋51.1%)，TBAC:Glyc诱导部分解折叠(α-螺旋降至34.5%)，而疏水性TBAC:OA反使α-螺旋增至65.6%。SANS证实ChCl:Glyc保持球状结构(极半径r_po
=65.3?)，TBAC:Glyc形成熔球态(r_po
=115?)，TBAC:OA则完全展开为纤维状(r_po
=390?)。

【热稳定性】温度依赖性SRCD揭示DESs显著提升热稳定性，Tm值在ChCl:Glyc中达91.4°C(较水相提高28°C)。热力学分析表明熵减(ΔS_m
降低3-5倍)是主要稳定因素，抵消了焓变(ΔH_m
)的损失。

【折叠可逆性】TBAC:Glyc中部分折叠中间体在190°C处理后仍可恢复76%二级结构，而ChCl:Glyc因聚集导致不可逆变性。特别值得注意的是，TBAC:OA虽破坏三级结构，但其高α-螺旋含量展现出超强热韧性。

研究结论深刻阐明了DESs组分-蛋白质结构的构效关系：氢键给体能力(α)主要调控二级结构，而溶剂极性(π*)主导三级结构。这一发现突破了传统溶剂工程的经验限制，为精准设计蛋白质溶剂环境提供了理论框架。通过简单的表面修饰与DESs组分调控，既可实现接近生理条件的蛋白质稳定(适用于生物制药)，又能创造极端条件下的可逆折叠体系(适用于高温生物催化)，还能构建非天然构象的蛋白质材料(适用于功能材料)。该研究为发展下一代蛋白质制剂、非水相生物转化和智能生物材料开辟了新途径，特别是解决了疏水性DESs中蛋白质溶解的世界性难题。未来通过扩展DESs组分库(如三元体系、非两亲性疏水DESs)，有望实现更复杂的蛋白质行为调控，推动生物技术向非水相领域的纵深发展。