功能性二肽自组装纳米结构的盐诱导模块化调控及其响应性材料应用

研究人员通过盐调控功能性二肽2NaplF的自组装行为，利用冷冻电镜(cryo-EM)解析出纤维、纳米管和束状结构等18种构象的复杂纳米结构，揭示了疏水堆积和氢键驱动的分子机制。该研究实现了对纳米结构尺寸和形状的精确控制，并开发出长度超1米的盐响应性"凝胶面条"，为药物递送和组织工程提供了新型模块化材料平台。

　　

在生物材料领域，短肽自组装系统因其结构可编程性和生物相容性备受关注。然而，现有研究面临两大瓶颈：一是短肽自组装结构的预测仍依赖经验性探索，计算工具难以捕捉实际构象多样性；二是传统表征手段（如光谱和小角散射）无法解析原子级结构细节。更关键的是，环境因素（如离子种类和机械力）对组装路径的影响机制尚未明确，导致材料性能调控缺乏理性设计基础。

针对这些挑战，格拉斯哥大学（University of Glasgow）和弗吉尼亚大学（University of Virginia）的研究团队在《Matter》发表了一项突破性研究。他们以萘修饰的二肽异亮氨酸-苯丙氨酸(2NaplF)为模型，通过系统调控K⁺、Na⁺、Li⁺等离子的添加，结合剪切力控制，构建了从纤维到纳米管的可编程纳米结构。冷冻电镜解析显示，单个纳米管内竟存在18种二肽构象，刷新了人们对短肽组装复杂度的认知。这些结构可进一步加工成宏观尺度的智能材料，如能对盐浓度响应的"凝胶面条"，为动态生物界面和可控释放系统提供了新范式。

研究采用三项核心技术：1) 冷冻电镜(cryo-EM)解析纳米结构原子模型（分辨率达2.7 ?）；2) 同步辐射小角X射线散射(SAXS)实时监测盐诱导组装动力学；3) 流变耦合SAXS揭示剪切力驱动的纤维-纳米管转变机制。

研究结果

纳米结构的水相行为
2NaplF在pH 10.5水中自组装为5-17 nm的纤维束(Waterbundles)，SAXS显示其为带状结构。冷冻电镜功率谱显示5 ?周期信号，提示芳环堆积主导分子排列。

盐诱导的结构多样性
• KCl体系：直接加盐形成直径165 ?的纳米管(KCl_tube)，冷冻电镜显示其具有四螺旋对称性，不对称单元含18个二肽分子，呈现1.9-5.2 ?的构象差异（图2）。
• NaBr体系：4当量时同时存在纤维(NaBr4_fiber)和直径110 ?的八螺旋纳米管(NaBr4_tube)，后者含5种构象二肽（图3）。
• LiBr体系：形成27-44 nm的螺旋束(LiBr_bundles)，扭曲程度随盐浓度增加。

剪切力驱动的结构转变
SAXS追踪显示：静态条件下仅形成异质束，而1000 s^-1剪切200分钟后才出现空心矩形棱柱结构（图5F-H）。这表明机械力与化学调控协同作用才能触发特定组装路径。

功能性材料开发
利用K⁺介导的纳米管制备出弹性模量14 kPa的凝胶面条（长度>1米），其核心可被水溶解形成中空壳结构（图7）。通过2NapFF涂层构建的核壳材料，实现了盐浓度依赖的按需降解。

结论与展望

该研究首次在原子尺度揭示了二肽自组装的结构多样性根源——2NaplF通过芳环旋转产生多达18种构象，形成"分子积木"般的模块化组装行为。这种复杂性远超现有预测工具的捕捉能力，解释了为何同类研究常出现"不可重复"现象。实践层面，研究建立了"盐种类-剪切力-结构"的定量关系，使单组分系统可定制纳米管直径（110-165 ?）和力学性能（模量10-14 kPa）。

更深远的意义在于：1) 为短肽材料的理性设计提供结构数据库；2) 证明机械加工史与化学组分同等重要，推动自组装标准化 protocols 建立；3) 开发的盐响应材料在创伤敷料（可溶解缝合线）和细胞培养支架（中空管腔）中具有独特优势。正如通讯作者Dave J. Adams强调："这些看似简单的二肽，实则是自然界尚未探索的纳米建筑大师"。未来，该模块化策略有望拓展至其他功能化短肽，推动动态生物材料进入精准调控时代。