中科院過程所&劍橋大學Angew. Chem. Int. Ed.：液-液相分離介導的超分子聚合物成核-生長新機制

【引言】

蛋白質和多肽等通過自組裝形成超分子聚合物的現象普遍存在于自然界中，尤其是生物體系，這引起了生物學家和材料科學家們廣泛的研究興趣。例如，已得到廣泛研究的蛋白質細絲-生物體系中一種常見的超分子聚合物，其能夠控制活細胞的機械性能、運動能力乃至分化過程。然而也有研究證明蛋白質的異常聚集會導致淀粉樣纖維的形成，其與諸如阿爾茨海默癥等神經退行性疾病的發生和發展有關。因此，探究超分子納米纖維形成的分子機制不僅有助于加深對生物體結構與功能的認知，還能促進纖維化相關疾病新型治療策略的開發。目前已經有一些理論和模擬研究表明，超分子納米纖維的形成是一個成核-生長的過程，成核可以通過經典的單步成核或者由亞穩相參與的兩步成核來實現，但是對于超分子成核早期階段的分子機制及其在后續生長過程中作用的研究仍是一大挑戰。這主要是由自組裝過程的高度動態和分級多尺度特性決定的。通常，超分子自組裝的結構演變主要取決于不同組裝體的穩定性及其結構轉變需要跨越的能壘。此外，較弱的非共價相互作用和相對柔性的分子構象也使得自組裝體易于在動態微環境中發生變化，從而形成具有多分散性和多態性的組裝中間體。因此，選取合適的組裝基元，通過對其組裝動力學的有效調控有望揭示復雜體系中自組裝納米纖維形成的分子機制。

【成果簡介】

近日，中國科學院過程工程研究所閆學海研究員與劍橋大學Tuomas P. J. Knowles教授合作，選取雙親性的氨基酸和寡肽分子為模型組裝基元，通過對其組裝動力學的有效調控來追蹤監測超分子納米纖維的形成過程，進一步結合分子動力學模擬，研究發現氨基酸和寡肽均相溶液中會首先發生液-液相分離（LLPS）形成富含溶質的液滴，其作為分子聚集成核的“小室”。成核之后則遵從Ostwald熟化機制形成熱力學更加穩定的超分子納米纖維。LLPS形成的亞穩態液滴顯著降低了納米纖維的成核勢壘。上述結果揭示了超分子納米纖維形成過程中液-液相分離介導的多步成核新機制，回答了“成核點從何而來”這一困擾多年的科學難題，對超分子組裝的精準調控和纖維化相關疾病治療策略的開發具有重要的理論指導意義。該成果以題為"Nucleation and Growth of Amino-acid and Peptide Supramolecular Polymers through Liquid-liquid Phase Separation"發表在國際著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文導讀】

圖1 液-液相分離介導的氨基酸或寡肽超分子納米纖維成核-生長新機制示意圖

圖2 自組裝納米纖維動態演變過程的Cryo-TEM 圖像

(a) Ag⁺配位調控的Fmoc-Ala自組裝納米纖維隨時間變化的動態演變過程的Cryo-TEM 圖像；

(b) 溶劑交換形成的Fmoc-His自組裝納米纖維隨時間變化的動態演變過程的Cryo-TEM 圖像。

圖3 Z-FF經LLPS形成液滴及液滴相變形成自組裝納米纖維

(a) Z-FF溶液中液滴融合的明場顯微圖像；

(b)相分離液滴的固有熒光圖像及其在1秒內的融合；

(c) Z-FF從液滴到自組裝納米纖維動態演變過程的Cryo-TEM 圖像；

(d) Z-FF納米纖維成核過程的全原子分子動力學模擬。

圖4 Ag⁺配位Fmoc-Ala自組裝動態演變過程的動力學和熱力學分析

(a) Fmoc-Ala恒定濃度3.0 mg mL^-1條件下，Ag⁺濃度對自組裝納米纖維形成時間的影響；

(b) Ag⁺恒定濃度8 mM條件下，Fmoc-Ala濃度對自組裝納米纖維形成時間的影響；

(c) 從液滴到納米纖維的結構演變過程中，熒光強度隨時間變化曲線；

(d) 對應于(c)中特定狀態的自組裝體形貌的TEM圖像；

(e) 種子實驗表明從液滴到納米纖維的結構轉變存在能壘；

(f) Ag⁺配位Fmoc-Ala自組裝形成液滴過程中觀察到的稀釋焓與Ag⁺含量的關系；

(g) 液滴和納米纖維的差示掃描量熱曲線；

(h) Ag⁺配位Fmoc-Ala動態自組裝過程（從亞穩態的液滴體到熱力學穩定的納米纖維）的自由能示意圖。

圖5 Ag⁺配位Fmoc-Ala自組裝納米纖維形成的驅動力

(a) 包覆尼羅紅的Ag⁺配位Fmoc-Ala組裝體隨時間變化的激光共聚焦掃描顯微鏡圖像；

(b) Ag⁺配位Fmoc-Ala納米纖維形成過程中隨時間變化的FTIR光譜；

(c) 液滴、納米纖維和Fmoc-Ala單體的UV-vis光譜；

(d) 液滴，納米纖維和Fmoc-Ala單體的FL光譜；

(e) Ag⁺配位Fmoc-Ala納米纖維的電噴霧電離質譜；

(f) DFT計算得到的Ag⁺-Fmoc-Ala配位化合物的穩定分子構象；

(g) 納米纖維層狀結構的分子堆積示意圖。

【小結】

本文中，作者探索了基于氨基酸和寡肽的超分子納米纖維的形成機理，發現液-液相分離是納米纖維成核的關鍵所在。經LLPS形成富含溶質的亞穩態液滴是邁向自組裝成核的第一步，該液滴的形成是一個熵驅動的過程；而液滴到納米纖維的轉變是一個焓驅動的過程。這些發現不僅為復雜仿生體系的設計和構建提供了新的思路，還對基于控制細胞內異常成核的潛在疾病治療策略的開發具有重要指導意義。

文獻鏈接：Nucleation and Growth of Amino-acid and Peptide Supramolecular Polymers through Liquid-liquid Phase Separation??(Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201911782)

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