对映体肽系统中的共组装与自分类并非互斥

《Chemical Science》：Co-assembly and self-sorting are not mutually exclusive in enantiomeric peptide systemsOpen Access

　　

多组分系统中的共组装（co-assembly）和自分类（self-sorting）通常被视为互斥的结果。这里，研究人员表明这种区分是不完整的。利用对映体肽纳米管，研究人员证明单一的共组装结构仅在等摩尔组成下形成，但其内部仍自分类为组成不同的区域。对比匹配中子散射（contrast-matched neutron scattering）直接揭示了这种分离，并表明共组装结构采用层状架构而非简单的分子级混合。这些结果确立了共组装和自分类可以在单个超分子物体内跨长度尺度共存，为理解和控制多组分自组装提供了一个通用框架。

论文解读

多组分自组装体系通常被描述为两种二分对立的结果：共组装（co-assembly）指两种组分在同一超分子结构内发生分子级混合，而自分类（self-sorting）指各组分分别形成独立的超分子物体。然而，这种二元划分并不完备——自分类同样可以发生在共组装结构内部，形成空间分离的“正交”共组装现象。低分子量凝胶因子（LMWGs）为研究这类问题提供了理想平台，但多数研究仅关注单一组成的组装行为，难以解析多个长度尺度上的空间组织。手性常被用来调控对映体或非对映体组分的混合或分离，但对于手性对单个共组装结构内部组织的影响仍认识不足。为此，研究人员选取一对对映体功能化二肽l,l-2NapFF和d,d-2NapFF，二者独立自组装时形成结构完全相同的纳米管，通过系统改变混合比例，探究组成与手性如何共同决定共组装与自分类的共存关系。

研究人员制备了d,d-2NapFF与l,l-2NapFF的混合物，比例分别为75:25、50:50和25:75。通过组合宏观观察、剪切粘度、圆二色光谱（CD）、冷冻电子显微镜（cryo-EM）、小角中子散射（SANS）及对比匹配SANS，系统表征了不同组成下的组装行为。结果发现，等摩尔（50:50）混合物形成单一的共组装束状结构，但该结构内部并非分子级混合，而是由两种对映体分别占据组成不同的区域；非等摩尔混合物则同时存在共组装束与过量组分形成的自分类纳米管。这一发现表明，共组装与自分类并非互斥，而是可以在单个超分子物体中跨长度尺度共存，且强烈依赖于分子手性与组成。

主要关键技术方法包括：圆二色光谱用于表征组装结构的手性环境；冷冻电子显微镜用于直接观察纳米管和束状结构的形貌；小角中子散射用于定量分析组装体的径向密度分布；对比匹配中子散射利用全氘代l,l-2NapFF类似物，在D₂O中选择性探测d,d-2NapFF在共组装结构中的空间分布。样本为合成的对映体二肽及其氘代类似物。

下面按结果要点进行归纳。

1. 组成依赖的宏观行为与手性特征
通过目视浊度和剪切粘度测量，50:50混合物浊度最高，且所有混合物的粘度均高于纯组分，表明混合后形成了更复杂的缔合结构。CD光谱显示纯对映体呈镜像关系；50:50混合物的CD信号显著减弱，且不等于两个独立组分光谱的线性叠加，说明形成了具有独特手性环境的共组装结构。非等摩尔混合物的CD谱主要由过量对映体主导，呈现镜像依赖关系，表明组成决定整体手性表达。

2. 冷冻电镜揭示共组装与自分类共存
Cryo-EM观察显示纯l,l-2NapFF和d,d-2NapFF均形成形态无差别的薄壁纳米管。50:50混合物则出现直径显著增大的束状结构，沿轴向具有条纹特征，提示初级纳米管横向缔合。非等摩尔混合物中同时观察到与纯组分相同的纳米管和类似束状结构，直接证明共组装仅在等摩尔组成下发生，而过量组分自分类形成独立纳米管。平均功率谱显示约5 ?的轴向周期性，表明束状结构保持一定的内部有序性。

3. SANS定量验证层级结构模型
SANS数据拟合表明，纯组分可用空心圆柱模型描述（内半径约1.7 nm，壁厚1.8–2.0 nm）；50:50混合物更适合采用有效半径8.9 nm的大柔性圆柱模型叠加幂律描述，与束状结构对应；非等摩尔混合物则可用空心圆柱与柔性圆柱模型组合拟合，与cryo-EM观察一致。老化样品中有效半径进一步增大，说明束状结构随时间持续演化和重排。

4. 对比匹配SANS揭示内部自分类
利用全氘代l,l-2NapFF进行对比匹配实验，在D₂O中散射主要来自d,d-2NapFF。50:50和25:75混合物的对比匹配散射曲线高度相似，表明d,d-2NapFF在两种共组装束中采用相同的空间排列，而多余的l,l-2NapFF因对比匹配不可见，与自分类纳米管存在的事实相符。75:25混合物的散射曲线发生明显变化，表明过量组分影响内部径向组织。所有数据集在约0.19 ?^?1处出现衍射峰，说明d,d-2NapFF在束内呈重复有序排列。模型拟合支持多壁圆柱结构，即对映体在共组装束内径向分离，而非分子级均一混合。

讨论与结论
该研究表明，共组装结构仅在等摩尔组成下形成，而其内部发生自分类；非等摩尔比例下，共组装束与过量组分的自分类纳米管共存。这种行为依赖于分子手性和组成，与仅发生自分类的非对映体体系形成对比。尽管等摩尔共组装束形成的能量学起源尚待阐明，但该工作证明共组装和自分类可以在单个超分子物体内多个长度尺度上并存，为理解组成对多组分自组装的调控提供了概念框架，并为利用手性控制层级组织提供了新途径。研究结论部分原文翻译如下：总之，研究人员表明，对于一对对映体功能化二肽，自分类可以发生在单个超分子物体内部，而共组装定义了整体结构。混合对映体导致一种共组装形式，其中形成单一超分子结构，但组分在其中保持空间自分类。此外，共组装以化学计量依赖的方式发生，共组装结构仅在等摩尔组成下形成，而非等摩尔混合物通过形成相同的共组装结构以及过量组分的自分类组装体来解决组成失衡。对比匹配中子散射证明，这种内部自分类产生径向层状架构，而非分子级混合。尽管等摩尔组成下共组装束形成的能量起源尚未确定，但研究人员的工作表明，共组装和自分类并非互斥，而是可以在单个超分子物体内跨多个长度尺度共存。研究人员表明，这种行为强烈依赖于分子手性和组成，非对映体对仅在不同组成下发生自分类。这项研究为理解组成如何影响多组分自组装建立了框架，并提供了一条利用分子手性影响对映体肽纳米管系统层级组织的途径。立体化学最近已被证明可直接调控二肽体系的高级组装和液-液相分离（LLPS），为合成原始细胞的设计确立了原理。研究人员推测，具有相似分子堆积偏好的系统可能表现出类似行为。因此，研究人员相信这项工作的结果将促进手性控制自组装肽系统设计的进一步研究。