复旦大学陈国颂教授，最新Nature Synthesis!

蛋白质的精确螺旋超分子聚合物只能通过调节复杂的竞争性超分子相互作用在体内实现。这种形成表明细胞控制水平以高保真度定义了功能结构。由于缺乏天然的竞争相互作用，通过合成反应实现这种现象是一个挑战。

鉴于此，复旦大学陈国颂教授与李龙研究员报告合成的自组装聚合物自发分解以触发蛋白质单元的螺旋生长，从而在体外形成明确的蛋白质小管。近原子分辨率的低温电子显微镜重建揭示了均匀的蛋白质螺旋阵列而不是多态性阵列。这些均匀的阵列类似于天然微管，并且蛋白质纳米管内牺牲的超分子配体的聚集结构是五聚体。蛋白质纳米管的形成，而不是配体的超分子聚合物，调节溶液的物理性质和脂质体的形态。结果表明，聚集配体解离提供的焓-熵补偿调节蛋白质纳米管螺旋模式的均匀性，为复杂仿生材料的创建提供了线索。相关研究成果以题为“Helical protein nanotubules assembled from sacrificial supramolecular polymers”发表在最新一期《Nature Synthesis》上。

【用于蛋白超分子聚合的牺牲超分子聚合物的设计】

研究人员设计了牺牲超分子聚合物（LSP）来调节蛋白自组装成螺旋纳米管。通过利用超分子相互作用的固有动力学，该设计引入了确保可控聚合的竞争网络。LSP设计有特定的疏水核心，可通过π-π堆积实现自组装。配体，特别是PE₁Gal和PE₂Gal，具有用乙二醇接头修饰的芘核心来调节其聚集状态。与PE₁Gal相比，PE₂Gal表现出较弱的聚集性，有利于其解离成与大豆凝集素(SBA)蛋白结合的五聚体单元，从而触发蛋白质超分子聚合物(PSP)的形成。这种设计模仿了生物系统，其中分子组装之间的动态竞争保持了功能保真度。图1a是通过磷酸化和微管相关蛋白进行天然微管调控的示意图。合成类似物如图1b所示：牺牲LSP分解以调节PSP，形成螺旋状蛋白质纳米管。

图1.用于蛋白质超分子聚合的牺牲超分子聚合物的设计

【蛋白质纳米管配体超分子聚合物（LSP）的设计和分析】

作者合成了两种配体PE₁Gal和PE₂Gal（化学结构如图2a所示），并评估了它们的聚集趋势和与SBA蛋白的相互作用。分子动力学模拟显示PE₁Gal为紧密堆积，PE₂Gal为松散堆积。圆二色性(CD)研究表明PE₁Gal组装体具有手性结构，但PE₂Gal具有非手性行为。低温电子显微镜(Cryo-EM)证实了两种配体的纤维结构，其中PE₂Gal形成了牺牲性超分子组装体。与SBA混合后，在配体和蛋白质组装体竞争的驱动下，PE₂Gal LSP转化为均匀的蛋白质纳米管。相比之下，PE₁Gal形成了稳定的纤维结构，无法诱导PSP。

图2.蛋白质纳米管LSP的设计和分析

【PE₂Gal诱导的PSP和竞争效应】

研究表明，PSP的形成依赖于LSP和SBA蛋白之间的竞争（图3）。PE₂Gal的松散聚集使其解离成与SBA结合的五聚体单元，形成具有一致内径~16nm的纳米管。该过程是可逆的，因为添加N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)会破坏PSP，从而导致LSP的重新形成。使用荧光和光散射技术的实验结果证实了竞争的动态性质。共聚焦显微镜和脂质体封装进一步突出了PE₁Gal和PE₂Gal系统之间的结构和功能差异。PE₂Gal诱导的PSP使脂质体变形，显示出它们在改变膜形态方面的潜力。PE₂Gal诱导的蛋白质纳米管的3D重建如图3a所示。纳米管内五聚体PE₂Gal的结构模型（图3b）。荧光和光散射数据描绘了竞争动态（图3c）。图e-f显示PE₂Gal/SBA诱导的脂质体变形，使用荧光成像可视化。

图3.PE₂Gal诱导的PSP及其之间的竞争效应

【纳米管的扩展配体设计和分子模型】

为了探索配体设计，研究人员合成了四种具有不同疏水核心的额外配体（ZE₁Gal、BE₁Gal、TBE₁Gal和TBE₂Gal）。这些修饰影响了聚集趋势和诱导PSP的能力。例如：ZE₁Gal和BE₁Gal表现出弱聚集性，容易解离成单体，分别形成多态性和均质纳米管。TBE₁Gal和TBE₂Gal具有强聚集性，保持稳定并且不会诱导PSP。Cryo-EM和SAXS分析揭示了这些配体形成的纳米管的结构差异。ZE₁Gal诱导的纳米管表现出多态性，而BE₁Gal诱导的结构是均质的。这些发现强调了配体聚集状态在控制PSP结果中的重要性。

图4.纳米管的扩展配体设计和分子模型

【PSP 的动力学和热力学表征】

作者使用SAXS、荧光和等温滴定量热法(ITC)分析了PSP形成动力学和热力学。配体聚集强度与PSP形成速率呈负相关，如下所示：ZE₁Gal的快速PSP形成由焓驱动。BE₁Gal和PE₂Gal的PSP形成速度较慢，由熵驱动，促进了结构均质化。ITC数据显示PSP形成过程中存在焓熵补偿。LSP的解离导致熵增加，促进了纳米管结构的均匀化。

图5.PSP的动力学和热力学特征

【总结】

本文螺旋蛋白纳米管的均质性是通过牺牲小分子超分子聚合物来实现的。通过设计分子结构，控制配体的聚集状态来调节竞争系统的结果，产生五种具有不同结构和蛋白质排列的蛋白质纳米管。竞争机制表明，解离配体极大地促进了管形成的熵变，统一了以前仅受直径不可控和螺旋堆积的焓控制的蛋白质管结构。更重要的是，为了生成PSP而牺牲LSP不仅大大改变了溶液性质，而且还诱导了脂质体的变形，证明了与其他方法相结合的原始细胞中的潜在创造能力。这种竞争可能适用于其他涉及蛋白质的超分子结构，这可能有助于更深入地理解生命系统中的超分子竞争现象。考虑到天然微管作为细胞骨架的关键作用，这些结果为通过人工细胞骨架构建对其行为进行复杂调节的原始细胞提供了光明的前景，并为人工智能材料的设计提供了线索。