设计拟肽模仿自然界的螺旋

自然界充满了极其精确的分子形状，它们就像手套一样紧密贴合。例如，蛋白质可以组装成各种明确的形状，从而赋予它们功能。

材料科学家 Chun-Long Chen表示：“根据其形状，蛋白质可以与其他蛋白质结合在一起发挥功能，或者通过聚集在一起而发生故障，就像在阿尔茨海默病中观察到的那样。” “了解它们如何组装以及它们特殊形状的起源，对于药物输送、诊断和治疗等各种应用都具有重要意义。”

在《自然通讯》 和《应用化学》上发表的研究中，陈和他的太平洋西北国家实验室同事研究了如何通过创造受自然启发的基于肽的材料来控制这些形状。他利用这些复杂的类蛋白质分子来设计用于能源应用的物质，例如收集光或分解木质素。在过去十年中，陈和他的太平洋西北国家实验室团队开发了一个平台，用于创建基于设计师肽的功能材料并表征其行为。

“拟肽有潜力用于各种应用，”陈说。“根据其组装形状和其他特性，可以将拟肽设计为药物输送剂或人工酶。”

就像手套里的手

陈和他的同事与华盛顿大学、芝加哥大学和佐治亚理工学院合作，设计了具有精确形状的拟肽组装体。他们的实验涉及引导螺旋的“手性”。螺旋可以是“左手”或“右手”，这取决于它们的螺旋方向。他们的研究结果发表在《自然通讯》上。

“在设计药物等特殊分子时，手性非常重要，”陈说。“了解和控制这种手性可以深入了解蛋白质组装等过程，并可能对寻找阿尔茨海默病等蛋白质折叠相关疾病的治疗方法很有帮助。”

在这次实验中，陈和他的团队选择研究螺旋状螺旋结构，因为它们具有生物学重要性。事实上，大多数蛋白质都含有这些基本的螺旋结构。

以前的类肽合成方法会产生左手螺旋和右手螺旋的混合物。在自然界中，蛋白质需要处于特定构象才能发挥其功能——大多数是左手螺旋。

“在我们之前，其他研究小组已经能够合成肽类纳米螺旋，但精确控制它们的形状和手性仍然是一个挑战，”陈说。“能够控制它们的形状不仅为设计未来的材料打开了大门，而且还能深入了解涉及这些结构的生物过程。”

陈和他的团队利用实验和计算技术相结合的方法，发现了一种控制类肽螺旋手性的方法。与蛋白质类似，类肽是由氨基酸类结构单元构成的。每个结构单元都有相同的“骨架”原子，这些原子形成类肽键，但是，链中的每个单个环节可能会有很大差异。陈的团队发现，他们可以通过操纵类肽侧链的序列来控制螺旋的形状。

为拟肽研究增添另一个维度

为了进一步研究类肽如何组装，陈教授与华盛顿大学、哈佛大学、宾汉姆顿大学和浙江科技大学的同事合作。在之前对类肽结构的二维研究的基础上，该团队成功开发出三维螺旋纳米结构。

他们观察到，在拟肽序列中加入特殊的原子“功能组”可以让他们创造出具有特殊功能的结构——类似于蛋白质组装体。他们的研究成果发表在《应用化学》上。

“虽然这是一项基础研究，但这项研究为我们提供了更多见解，让我们了解如何为特定应用创造更好、更精确的材料(如自然界中发现的材料)。”陈说。“拟肽有潜力用于各种应用。根据它们的结构和其他特性，可以将拟肽设计为药物输送剂或人工光收集系统。”

未来，陈和他的团队希望创造出各种基于类肽的纳米材料以供应用。控制类肽的形状，正如他们的研究论文中概述的那样，只是第一步。

《Nature Communications》研究的 PNNL 合作者包括 Renyu Zheng、Jingshan Du、Yicheng Zhou 和James De Yoreo。除了在 PNNL 的主要职务外，Chen 和 De Yoreo 还是华盛顿大学的兼职教授，Zheng 是华盛顿大学的研究生。Thi Kim Hoang Trinh、Li Shao、Yanxu Zong 和 Changning Li 为《Angewandte Chemie》的研究做出了贡献。这两项研究主要由科学办公室基础能源科学项目资助，属于能源前沿研究中心项目的一部分：CSSAS - 跨尺度合成科学中心。CSSAS 由华盛顿大学领导，与 PNNL 和其他机构合作伙伴(PNNL FWP 72448)密切合作。

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