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Angew. Chem.:液-液相分离介导的肽超分子组装成核-生长新机制

生物体内肽和蛋白质由分子态到纳米纤维的结构转变,不仅与特定生物功能的发挥有关,也与一些疾病的发生密切相关。因此对超分子纳米纤维形成机制的研究,不仅有助于加深对生物体结构与功能的认知,促进纤维化相关疾病新型治疗策略的开发,也为复杂仿生体系的设计和构建提供新的思路。


纳米纤维的形成一般包含成核和生长两个阶段。作为溶液中新相形成的初始孕育阶段,成核对超分子纳米纤维的结构和性质具有至关重要的作用。尽管已有相关的理论研究发现,成核可以通过经典的单步成核或者由亚稳相参与的两步成核来实现。然而,超分子成核是一个涉及分子团簇的形成及多级结构演化的动态过程,难以通过传统的手段对其进行表征和监测。因此,对超分子纳米纤维成核早期阶段分子机制及其在后续生长中作用的研究仍然是一大挑战。

图1. 液-液相分离介导的肽超分子自组装成核-生长新机制示意图。


近日,中国科学院过程工程研究所闫学海研究员(点击查看介绍)团队与英国剑桥大学Tuomas P. J. Knowles教授(点击查看介绍)团队选取双亲性的寡肽和氨基酸为研究模型,通过控制自组装的动力学有效跟踪了超分子结构演变的动态过程,并与分子动力学模拟结合,研究发现液-液相分离是超分子纳米纤维成核的关键所在,其形成的富含溶质液滴是分子聚集成核的“小室”,成核之后则遵从奥斯特瓦尔德熟化机制形成热力学更稳定的纳米纤维。

图2. (a) Z-FF二肽分子成核过程的全原子分子动力学模拟;(b) 从富含肽分子的液滴到超分子纳米纤维的结构演变过程;(c) 纳米纤维形成过程的热力学变化。


对纳米纤维形成过程的动力学研究表明,其形成是一个涉及二次成核的非经典过程。进一步对该过程的组装驱动力和热力学研究发现,疏水作用驱动的富含溶质液滴的形成是一个熵驱动的过程;而氢键作用驱动的液滴到纳米纤维的转变是一个焓驱动的过程。与从溶液中直接析出固相核点的经典成核相比,液-液相分离形成的亚稳态液滴显著降低了纳米纤维的成核势垒。该研究揭示了超分子纳米纤维形成过程中液-液相分离介导的多步成核新机制,回答了“成核点从何而来”这一困扰多年的科学难题,对超分子组装的精准调控和纤维化相关疾病治疗策略的开发具有重要的理论指导意义。


相关结果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上,文章的通讯作者为闫学海研究员和Tuomas P. J. Knowles教授,第一作者是中国科学院过程工程研究所袁成前博士。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Nucleation and Growth of Amino-acid and Peptide Supramolecular Polymers through Liquid-liquid Phase Separation

Chengqian Yuan, Aviad Levin, Wei Chen, Ruirui Xing, Qianli Zou, Therese W. Herling, Pavan Kumar Challa, Tuomas P.J. Knowles, Xuehai Yan

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201911782


导师介绍

闫学海

https://www.x-mol.com/university/faculty/48536

Tuomas P. J. Knowles

https://www.x-mol.com/university/faculty/2575


(本稿件来自Wiley


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