Science丨唐尧、张天任等开发极端pH条件下自组装多肽颗粒|ph|唐尧|多肽颗粒|张天任|电荷|自组装

在多肽自组装与超分子化学领域，构建兼具高度有序结构与优异环境耐受性的纳米材料，是当前面临的重要挑战。天然蛋白质能够通过复杂的非共价相互作用实现精密的层级组装，但其精密结构通常对环境敏感。绝大多数天然蛋白质仅能在狭窄的 pH 和温度范围内维持折叠结构，一旦置于极端 pH （如强酸或强碱）环境，非共价相互作用改变会导致蛋白质变性或无序聚集，限制了利用静电相互作用调控其组装行为的潜力。

近日，特拉华大学材料科学与工程系Darrin J. Pochan团队与宾夕法尼亚大学化学系Jeffery G. Saven团队合作，在 Science 发表了题为

Patchy peptide particles for pH-responsive assembly into liquid crystals or lattices

的研究论文。特拉华大学 Yao Tang （唐尧）与 Tianren Zhang （张天任）为共同第一作者， Daibei-Yang （杨岱蓓）提供了关键计算工作。该团队以四聚体卷曲螺旋肽（Bundlemer）为研究对象，利用其已知氨基酸位点，在表面引入特定表面电荷图案（ Patchy Charge Pattern ） ” ，系统探究其在不同pH环境下的自组装行为，最终实现多肽在极端pH条件下的精准、稳定自组装单条卷曲螺旋肽链（ individual coiled-coil chain ），为极端环境适用的软物质材料研发提供了新的理论依据与技术路径。

该研究的核心设计的是： Bundlemer 序列包含四个经典的七肽重复单元（ heptad ），设计关键在于电荷分布 —— 负电荷残基（ Glu ）集中在第 1-2 个重复单元，正电荷残基（ Lys/Arg ）分布在第 3-4 个重复单元，形成 “−−++” 型表面电荷图案；同时构建该电荷图案的多肽变体（ PATCH1 、 PATCH2 ，后者电荷密度更高），并设置氨基酸组成完全相同但电荷分布杂乱的对照多肽，结合分子动力学模拟，明确电荷图案介导的自组装机制。

实验与模拟表明， pH=1 （强酸）条件下，多肽颗粒表面氨基酸残基质子化、整体带正电，通过卷曲螺旋首尾相连（ end-to-end stacking ）形成独特的单条卷曲螺旋肽链 —— 这种链段并非普通一维纳米纤维，而是由卷曲螺旋结构首尾精准对接形成的特异性链段。该链段使材料在低浓度（约 4 wt% ）下形成向列相液晶（ Nematic LC ），高浓度（ 10 wt% ）下因链间强烈静电排斥，进一步组装成二维六方堆积结构（ Hexagonal Columnar Phase ）。与之形成鲜明对比的是，电荷分布打乱的对照多肽，即便在相同 pH 条件下也无法形成单条卷曲螺旋肽链，仅能以孤立卷曲螺旋分散存在，佐证了表面电荷有序分布的决定性作用。

pH=14 （强碱）条件下，多肽氨基酸残基去质子化、整体带负电，尽管负电荷间排斥效应使组装门槛高于酸性条件，且未观察到六方相，但体系仍能形成单条卷曲螺旋肽链并组装成液晶相。 pH=7 （中性）时，多肽颗粒表面 “−−++” 电荷图案完整保留，既能够形成单条卷曲螺旋肽链，又能在相反电荷图案的静电互补性驱动下，使肽链组装成高度有序的柱状类正交晶格； SAXS 建模分析显示，相邻 Bundlemer 链错开半个颗粒长度，以实现静电配对能最优化。

对比 PATCH1 与 PATCH2 （高电荷密度变体）的实验结果，揭示了电荷密度对组装的双重影响： pH=1 时，更高电荷密度增强链间排斥， PATCH2 仅需 0.5 wt% 即可形成液晶，且相变阈值显著降低，体现高电荷密度对组装的促进作用；但 pH=14 时， PATCH2 末端过高负电荷密度在界面产生强烈局部排斥，破坏卷曲螺旋首尾衔接的共线性，导致无法形成单条卷曲螺旋肽链，即便浓度达 10 wt% 也仅以孤立颗粒存在。

MD 模拟进一步从原子层面解析了多肽颗粒首尾衔接的微观机制： N 端残基（ 1-3 位）呈非螺旋散乱结构， C 端残基（ 27-29 位）为螺旋构象，这种构象差异至关重要 ——N 端的灵活性使其能与相邻 Bundlemer 的 C 端形成紧密内部疏水接触，这种疏水核心的延伸与对接，是卷曲螺旋端对端堆叠、形成单条卷曲螺旋肽链的物理基础。对于 PATCH1 ，不同 pH 下相互作用类型存在差异： pH=7 时，界面存在经典盐桥相互作用（ Asp/Glu 与 Lys/Arg 之间）； pH=1/14 时，质子化状态改变使盐桥转化为极性接触，但空间接触得以保持，这也解释了为何 PATCH1 能在极端 pH 下维持首尾衔接、形成特异性链段。而 PATCH1 与 PATCH2 在 pH=14 时的差异，源于 PATCH2 过高电荷密度导致的强静电排斥，使束间角度波动增加、界面极性接触显著减少， “ 排斥力 ” 超过 “ 疏水锁 ” 结合力，最终丧失共线性与成链能力，与实验结果完全吻合。

基于模拟结果，研究团队通过端基修饰实验验证了首尾衔接机制：在多肽两端分别添加三个甘氨酸（ Gly ）， N 端延伸（ 3G-N ）时， PATCH1-3G-N 和 PATCH2-3G-N 仍能保持卷曲螺旋首尾衔接能力，正常形成单条卷曲螺旋肽链；而 C 端延伸（ 3G-C ）时，两种多肽均完全失去成链能力，无法形成该特异性链段及液晶相。这一实验有力证实了计算模型的预测，明确 C 端疏水核心（ Ile4 和 Ala29 相互作用）在介导 Bundlemer 纵向聚合、形成单条卷曲螺旋肽链中的决定性作用，同时也展现了该体系在 N 端进行功能化修饰的潜力。

该研究的核心创新在于，通过设计具有特定“表面电荷图案”的卷曲螺旋Bundlemer多肽纳米粒子，实现其在pH=1，7，14的极端范围内的稳定、可控自组装，同时明确了单条卷曲螺旋肽链的形成机制，以及表面电荷图案对该链段形成及后续组装的决定性作用。