Science：新研究实现极端pH条件下多肽颗粒自组装

蛋白质是生命的基石。这些生物分子由氨基酸链组成，它们折叠成精确的形状，以在自然界中执行特定的任务。但这些优雅的结构仅在狭窄的pH值和温度条件下形成，这是数十亿年进化所决定的特性，这限制了开发基于蛋白质的合成先进材料的努力。

现在，由特拉华大学的Darrin Pochan领导的研究人员设计了小的蛋白质片段，即肽，它们可以在异常广泛的条件下和尺度上自组装成结构良好的组织。关键在于正负电荷如何精心排布在肽上，为它们提供了在极端条件下如何结合在一起的指令。该研究结果发表在《科学》杂志上。

基于蛋白质的构建模块为材料开发提供了一个有前景、可持续的平台。它们有可能通过生物方式生产，降解成环境相容的组分，并且非常适合生物医学应用。

"这项基础研究为潜在的美好技术打开了大门。"特拉华大学工程学院材料科学杰出教授Pochan说。"联邦政府、工业界和大学对这种基础科学的持续投资对于长期真正的创新至关重要。"

Pochan的实验室专注于设计能组装成新型材料的分子构建模块。他最近被指定为2026年材料研究学会会士，以表彰他的进展。

极端稳定性解锁新可能性

由Pochan、博士生Yao Tang和博士后研究员Tianren Zhang领导的团队开发了通过计算设计的肽，这些肽结合在一起形成他们称之为"束聚体"的颗粒。

每个束聚体由四个肽组成，形状像一个小桶，其表面带有精心排布的正负电荷图案。这种精确的图案使得束聚体在整个pH值范围内（从最强的酸到最强的碱）都极其稳定。在非常低或非常高的pH值下，这些颗粒形成液晶体，而在中性pH值下，它们组装成晶格状簇。

"在整个pH值范围内如此稳定确实独一无二且功能强大。"Pochan解释说，这种稳定性，加上在不同有序状态之间切换的能力，为新型先进材料铺平了道路。

例如，用于防弹背心的材料凯夫拉尔，是通过将液晶聚合物加工成极其坚固的固体而制成的。通过利用束聚体的强度和适应性，研究人员或许能够创造出具有精确设计特性的类似材料。

通过表面设计编程组装

"这些构建模块的关键在于表面化学图案化。"Pochan指出。"这是我们未来十年将要探索的方向：如何利用这种图案化赋予这些颗粒非常特定的行为。"

在这种情况下，研究人员设计了表面电荷图案，使得肽颗粒能够在整个pH值范围内组装成有序结构。即使对这种表面化学进行微小的改变，也可能导致行为的巨大变化，改变束聚体之间的相互作用方式以及它们形成的结构类型。

这种分子水平的精度在生物学中很常见，但在材料科学中却很少见。改变蛋白质表面的单个氨基酸可以完全改变其结构和功能。相比之下，传统的软材料（如塑料）本质上是无序的，这使得利用表面化学来控制其特性变得困难。

"将生物学的工具与材料科学相结合，使我们能够实现非凡的精度。"Pochan说。"由于我们能够精确控制束聚体的表面展示，我们可以深入探索如何引导它们组装成有序材料。"

从基础发现到现实世界的影响

在当前的研究中，Pochan的团队使用标准的化学合成技术在实验室中构建了束聚体。但由于它们是基于蛋白质的材料，它们有可能使用生物方法廉价且大规模地生产。

为了探索规模化生产的途径，Pochan正在与Pierre Rouviere合作，后者是前杜邦公司科学家、企业家，在改造细菌以生产用于大规模工业应用的蛋白质和肽方面拥有经验。

Pochan还计划在特拉华大学的STAR校区创办自己的初创公司，进一步将这项工作融入特拉华州不断增长的创新生态系统中，并将从基础研究中获得的见解拓展到新的方向。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Yao Tang et al, Patchy peptide particles for pH-responsive assembly into liquid crystals or lattices, Science (2026). DOI: 10.1126/science.adz6812.