超分子肽与蛋白质系统：从分子设计到多功能应用

《Materials Advances》：Supramolecular peptide and protein systems – from design to applicationOpen Access

超分子肽与蛋白质系统提供高度通用的平台，其中序列、实验条件和非共价相互作用指导形成具有不同结构的有序超分子结构，并表现出可调节的性质与功能。本主题合集与COST Action CA23111 SNOOPY（Searching for nanostructured or pore forming peptides for therapy）相关，汇集了肽基和蛋白质基组装体在设计、合成、表征和功能评价方面的最新进展。15篇研究论文和1篇综述覆盖了互补的研究层次，从自组装、能量景观和结构-性质关系的基础研究，到动态软材料、杂化结构和蛋白质纳米隔室。这些工作还展示了此类系统在催化、储能、再生医学、药物递送、免疫治疗和诊断中不断扩展的应用，说明分子水平控制可转化为跨多个尺度的功能行为。通过结合实验、计算和转化视角，该合集反映了该领域的跨学科性质以及SNOOPY网络所涉及的科学主题。总体而言，这些研究将基础理解与新兴应用联系起来，并为合理开发超分子肽与蛋白质材料的当前机遇和挑战提供了广泛视角。

该文是围绕超分子肽与蛋白质系统（supramolecular peptide and protein systems）的主题合集导言，与COST Action CA23111 SNOOPY（Searching for nanostructured or pore forming peptides for therapy）相关，整合15篇研究论文和1篇综述。背景上，此类系统由序列、实验条件和非共价相互作用共同指导形成有序超分子结构，具有可调性质和功能，是有吸引力的多用途平台。需要解决的核心问题是理解分子信息如何从序列翻译为超分子组织并最终转化为材料性质；这一挑战可通过生成建模、蛋白质结构预测和分子模拟在实验合成前加以处理。实验研究还需解析决定肽组装结果的因素，认识制备过程可能与分子结构同样重要，并拓展疏水性与短肽自组装之间传统关系；同时需要将蛋白质纳米隔室的空间组织与分子限域、响应/杂化材料以及生物医学转化纳入统一视野。开展该合集的目的是汇集设计、合成、表征和功能评价最新进展，连接基础理解与新兴应用，反映该领域跨学科性质和SNOOPY网络主题。总体结论是，该领域正迅速从基础分子设计走向应用驱动材料与技术；计算设计、自组装机理理解和高分辨结构表征日益使具有可预测性质与功能的系统合理工程化成为可能，催化、储能、再生医学、免疫治疗和诊断等应用显示转化潜力；未来需整合实验、计算和生物工程方法，衔接分子尺度理解与实际性能，发展自适应、多功能和临床相关系统，并应对医疗健康、可持续性和先进材料科学挑战。

主要关键技术方法（不超过250字）：合集研究采用计算与实验互补策略，包括生成建模、OmegaFold蛋白质结构预测和分子动力学模拟；时间分辨不对称流场流分离（AF4）；冷冻电镜（cryo-EM）；位点特异性¹⁹F核磁共振（NMR）；表面增强拉曼光谱（SERS）和电化学阻抗谱（EIS）；3D打印、体外细胞评价及体内伤口愈合评价等。原文未注明样本队列来源。

研究结果：

Introduction to supramolecular peptide and protein systems（超分子肽与蛋白质系统导论）：通过合集导言，指出15篇研究和1篇综述覆盖从自组装、能量景观、结构-性质关系到动态软材料、杂化结构和蛋白质纳米隔室，并展示催化、储能、再生医学、药物递送、免疫治疗和诊断应用；结论是分子水平控制可跨尺度转化为功能行为，合集连接基础与应用并体现跨学科和SNOOPY主题。

From molecular design to self-assembly pathways（从分子设计到自组装路径）：Lu和Buehler将SilkomeGPT生成序列、OmegaFold结构预测与分子动力学模拟结合，提出探索序列-结构-力学关系和筛选定制纳米力学行为蜘蛛丝蛋白的计算高效路线。Castelletto等发现交替色氨酸-精氨酸（WR）序列中长度和pH依赖的液-液相分离与β-折叠原纤维化平衡，短WR肽在碱性条件自凝聚，重复数增加有利延伸纤维和纳米带，高浓度长序列形成纤维水凝胶。Kariuki、Rho和Perrier用时间分辨AF4映射环肽-聚合物偶联物能量景观，区分热力学有利氢键路径生成纳米管与竞争疏水路径生成亚稳无序聚集体，说明制备与分子结构同等重要。Shekhar等以氨基甲酰化中和赖氨酸重复肽两亲分子侧链电荷，使非组装聚赖氨酸衍生物形成β-折叠富集纤维纳米结构，赖氨酸残基数和疏水尾长度共同调节成核、聚集动力学和纤维形态。仿生六肽Ac-SYTVTT-NH₂虽高度极性和质子化，仍在生理条件自组装为β-折叠富集纳米纤维和稳定水凝胶；端基化学决定凝胶化，模拟支持水化减少与肽-肽缔合增强相关，水凝胶机械稳定、可蛋白水解降解、细胞相容并支持成纤维细胞黏附和铺展。Grelich-Mucha等用单个酰胺-to-酯取代破坏Aβ(35-42)片段氢键网络，天然肽快速形成淀粉样原纤维，酯肽主要形成球形聚集体，二者保留显著β-折叠特征和可比内源荧光；强pH依赖自发荧光支持肽末端间质子转移机制，表明长程纤维有序并非光学响应必需。

Protein nanocages or similar systems（蛋白质纳米笼或类似系统）：Pe?anac等用冷冻电镜解析两种新鉴定细菌封装蛋白（encapsulins）并工程化，揭示不同结构，展示其封装活性酶、增强抗蛋白水解降解和通过工程孔结构调节底物运输，提示蛋白质纳米隔室可作为生物催化和生物技术可调平台。Ghini等用位点特异性¹⁹F NMR探测金基金属药物与铁蛋白纳米笼结合，并结合分子动力学模拟将光谱特征与局部构象变化联系，提供蛋白-金属相互作用原子层面见解，支持铁蛋白纳米载体药物递送系统的合理开发。

Responsive/hybrid peptide materials for soft matter, catalysis and energy（用于软物质、催化与能源的响应/杂化肽材料）：Murphy等合成醛和酰肼功能化线性和星形多肽，经席夫碱交联形成动态水凝胶，混合不同拓扑结构获得不同力学性质并保持快速自恢复和自愈合，凝胶支持人间充质干细胞活力并提高14天代谢活动。Kuroiwa等将氧化还原活性五核铁配合物与两亲性聚(L-天冬氨酸)-嵌段-聚(L-亮氨酸)共聚肽共组装，克服金属簇水溶性差；pH控制肽构象和形貌，在多层囊泡样结构与延伸片层间转变，并改变Fe₅配合物氧化态和电化学响应，建立人工金属蛋白样环境策略。Alemán及其团队将中性和质子化α/β-二肽自组装于PEDOT层间，制备多层伪电容器电极；质子化TFA-DP1组装提供电子传输芳香路径和离子传输移动反离子，并在亚微米PEDOT层中作为介电元件，表明短肽组装可作为可生物降解电子器件活性组分。

Biomedical applications, regenerative materials, and diagnostics（生物医学应用、再生材料与诊断）：Lababidi等提供临床前证据，6% Saussure costus负载的PCL–gelatin静电纺纳米纤维具良好力学、对金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和大肠杆菌持续释放活性化合物及人模型细胞生物相容性，并在体内增强伤口闭合、胶原沉积和组织再生。Celikkin等将甲基丙烯酸化胃蛋白酶消化肺脱细胞外基质（dECMMA）与明胶甲基丙烯酰基（GelMA）交联成复合肽-生物材料墨水，实现血管构建3D打印，复合物增强内皮化、内皮网络形成和促血管生成活性。Seetharaman等将宫颈肿瘤细胞来源抗原载入由80% SOPC常规磷脂和20%古菌脂质组成的热稳定纳米古菌体，促进抗原提呈细胞成熟、T细胞增殖和细胞因子产生并引发肿瘤细胞杀伤。Sabaine等开发基于SARS-CoV-2刺突蛋白短合成肽的肽功能化金纳米颗粒生物传感器，结合SERS和EIS证明肽序列强烈影响传感器性能，实现反SARS-CoV-2抗体的有效、灵敏和变异特异性检测。相关综述梳理三阴性乳腺癌（TNBC）纳米尺度诊疗策略，整合靶向药物递送、分子成像和精准肿瘤学并讨论肿瘤进展和转移机制。

Summary and future outlook（总结与未来展望）：讨论总结指出，合集研究显示该领域正从基础分子设计走向应用驱动材料与技术，计算设计、自组装机理理解和高分辨结构表征促进可预测性质与功能系统的合理工程化；应用展示转化潜力，未来需整合实验、计算和生物工程，桥接分子尺度理解与实际性能，发展自适应、多功能和临床相关系统，并借助SNOOPY等COST Action促进跨学科合作、知识交流和共享方法、标准与最佳实践。

研究结论翻译：总体而言，本主题合集的研究表明，该领域正迅速从基础分子肽与蛋白质设计迈向应用驱动的材料与技术。计算设计、对自组装机理的理解以及高分辨率结构表征的进展，正日益使合理工程化具有可预测性质和功能的肽基与蛋白质基系统成为可能。与此同时，催化、储能、再生医学、免疫治疗和诊断中的新兴应用展示了这些材料日益增长的转化潜力。展望未来，实验、计算和生物工程方法的整合对于将分子尺度理解与实际性能衔接至关重要，可促进自适应、多功能和临床相关的超分子肽与蛋白质系统的发展。这些努力使肽和蛋白质领域能够应对医疗健康、可持续性和先进材料科学中的关键挑战，同时继续扩展生物分子自组装的范围和影响。此类进展还得到包括SNOOPY等COST Action在内的欧洲协作网络倡议的进一步加强，这些倡议促进跨学科合作、知识交流以及共享方法、标准和最佳实践的协同发展。