中科院过程所&剑桥大学Angew. Chem. Int. Ed.：液-液相分离介导的超分子聚合物成核-生长新机制

【引言】

蛋白质和多肽等通过自组装形成超分子聚合物的现象普遍存在于自然界中，尤其是生物体系，这引起了生物学家和材料科学家们广泛的研究兴趣。例如，已得到广泛研究的蛋白质细丝-生物体系中一种常见的超分子聚合物，其能够控制活细胞的机械性能、运动能力乃至分化过程。然而也有研究证明蛋白质的异常聚集会导致淀粉样纤维的形成，其与诸如阿尔茨海默症等神经退行性疾病的发生和发展有关。因此，探究超分子纳米纤维形成的分子机制不仅有助于加深对生物体结构与功能的认知，还能促进纤维化相关疾病新型治疗策略的开发。目前已经有一些理论和模拟研究表明，超分子纳米纤维的形成是一个成核-生长的过程，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，但是对于超分子成核早期阶段的分子机制及其在后续生长过程中作用的研究仍是一大挑战。这主要是由自组装过程的高度动态和分级多尺度特性决定的。通常，超分子自组装的结构演变主要取决于不同组装体的稳定性及其结构转变需要跨越的能垒。此外，较弱的非共价相互作用和相对柔性的分子构象也使得自组装体易于在动态微环境中发生变化，从而形成具有多分散性和多态性的组装中间体。因此，选取合适的组装基元，通过对其组装动力学的有效调控有望揭示复杂体系中自组装纳米纤维形成的分子机制。

【成果简介】

近日，中国科学院过程工程研究所闫学海研究员与剑桥大学Tuomas P. J. Knowles教授合作，选取双亲性的氨基酸和寡肽分子为模型组装基元，通过对其组装动力学的有效调控来追踪监测超分子纳米纤维的形成过程，进一步结合分子动力学模拟，研究发现氨基酸和寡肽均相溶液中会首先发生液-液相分离（LLPS）形成富含溶质的液滴，其作为分子聚集成核的“小室”。成核之后则遵从Ostwald熟化机制形成热力学更加稳定的超分子纳米纤维。LLPS形成的亚稳态液滴显著降低了纳米纤维的成核势垒。上述结果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。该成果以题为"Nucleation and Growth of Amino-acid and Peptide Supramolecular Polymers through Liquid-liquid Phase Separation"发表在国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【图文导读】

图1 液-液相分离介导的氨基酸或寡肽超分子纳米纤维成核-生长新机制示意图

图2 自组装纳米纤维动态演变过程的Cryo-TEM 图像

(a) Ag⁺配位调控的Fmoc-Ala自组装纳米纤维随时间变化的动态演变过程的Cryo-TEM 图像；

(b) 溶剂交换形成的Fmoc-His自组装纳米纤维随时间变化的动态演变过程的Cryo-TEM 图像。

图3 Z-FF经LLPS形成液滴及液滴相变形成自组装纳米纤维

(a) Z-FF溶液中液滴融合的明场显微图像；

(b)相分离液滴的固有荧光图像及其在1秒内的融合；

(c) Z-FF从液滴到自组装纳米纤维动态演变过程的Cryo-TEM 图像；

(d) Z-FF纳米纤维成核过程的全原子分子动力学模拟。

图4 Ag⁺配位Fmoc-Ala自组装动态演变过程的动力学和热力学分析

(a) Fmoc-Ala恒定浓度3.0 mg mL^-1条件下，Ag⁺浓度对自组装纳米纤维形成时间的影响；

(b) Ag⁺恒定浓度8 mM条件下，Fmoc-Ala浓度对自组装纳米纤维形成时间的影响；

(c) 从液滴到纳米纤维的结构演变过程中，荧光强度随时间变化曲线；

(d) 对应于(c)中特定状态的自组装体形貌的TEM图像；

(e) 种子实验表明从液滴到纳米纤维的结构转变存在能垒；

(f) Ag⁺配位Fmoc-Ala自组装形成液滴过程中观察到的稀释焓与Ag⁺含量的关系；

(g) 液滴和纳米纤维的差示扫描量热曲线；

(h) Ag⁺配位Fmoc-Ala动态自组装过程（从亚稳态的液滴体到热力学稳定的纳米纤维）的自由能示意图。

图5 Ag⁺配位Fmoc-Ala自组装纳米纤维形成的驱动力

(a) 包覆尼罗红的Ag⁺配位Fmoc-Ala组装体随时间变化的激光共聚焦扫描显微镜图像；

(b) Ag⁺配位Fmoc-Ala纳米纤维形成过程中随时间变化的FTIR光谱；

(c) 液滴、纳米纤维和Fmoc-Ala单体的UV-vis光谱；

(d) 液滴，纳米纤维和Fmoc-Ala单体的FL光谱；

(e) Ag⁺配位Fmoc-Ala纳米纤维的电喷雾电离质谱；

(f) DFT计算得到的Ag⁺-Fmoc-Ala配位化合物的稳定分子构象；

(g) 纳米纤维层状结构的分子堆积示意图。

【小结】

本文中，作者探索了基于氨基酸和寡肽的超分子纳米纤维的形成机理，发现液-液相分离是纳米纤维成核的关键所在。经LLPS形成富含溶质的亚稳态液滴是迈向自组装成核的第一步，该液滴的形成是一个熵驱动的过程；而液滴到纳米纤维的转变是一个焓驱动的过程。这些发现不仅为复杂仿生体系的设计和构建提供了新的思路，还对基于控制细胞内异常成核的潜在疾病治疗策略的开发具有重要指导意义。

文献链接：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)

【通讯作者简介】详见课题组网站：http://www.yan-assembly.org/cn/ 

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