中科院过程所闫学海研究员和袁成前副研究员团队：发现多步去溶剂是引发液-液相分离介导的肽自组装的关键…

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近日，中国科学院过程工程研究所闫学海研究员和袁成前副研究员等研究发现多步去溶剂机制是引发液-液相分离介导的肽自组装的关键基础。溶液中肽分子会首先发生部分去溶剂，引发肽分子簇的形成。接下来，肽分子簇的溶剂化壳层会发生选择性去溶剂，通过熵效应诱发液-液相分离的发生，形成富含肽的液滴。相分离液滴的进一步去溶剂，则会引发肽自组装成核的发生。这种多步去溶剂的特征从本质上阐述了液-液相分离介导肽自组装区别于传统单步自组装的分子机制。更为重要的是，通过对不同阶段去溶剂化程度的控制可以得到具有不同结构的组装体，为生物分子自组装的精准调控提供了基本依据。

背景介绍：

包括肽在内的生物分子自组装是一种普遍存在的现象，广泛存在于生物体系中，并在超分子化学和材料科学中得到了越来越多的关注。人们通过对自组装条件的调节，制备了大量具有不同微纳米结构的肽组装体，然而，如何实现精准的肽自组装仍是一个极具挑战性的课题。因此，深入了解肽自组装机制显得尤为重要和迫切。近年来，该领域的研究重点已逐步转移到对肽自组装机制的研究中。前期研究表明，肽溶液通过液-液相分离形成富含肽分子的液滴和富含溶剂的液相是肽自组装成核前的关键步骤。然而，液-液相分离液滴形成及结构演化的引发机制仍是一个挑战。

本文亮点：

针对上述难题，中国科学院过程工程研究所闫学海研究员和袁成前副研究员等选取含有芳香环的双亲性肽为研究模型，通过溶剂交换的方法来诱导自组装的发生。利用高分辨冷冻透射电镜技术追踪了从均相肽溶液到有序肽组装体的结构演变过程（图1）。结果表明，在均相肽溶液（图1a）中引入溶剂水后，迅速形成大量无规、低密度的微小结构（图1b）。结合高分辨电喷雾电离质谱证实，上述微小结构为水和有机溶剂共同溶剂化的肽单体或者肽分子簇。这意味着，水的引入会使均相肽溶液中的溶剂化肽发生部分去溶剂化，形成部分去溶剂化的肽单体或者分子簇。其通过进一步去溶剂，诱导液-液相分离的发生，形成富含肽的液滴（图1c）。该液滴通过逐步去溶剂实现从无序到有序的结构演化，从而促进有序肽组装体的形成（图1d-f）。值得指出的是，上述多步去溶剂特征同样适用于其他肽分子和溶剂体系。因此，液-液相分离介导的肽自组装是一个多步去溶剂的过程。

图1. 液-液相分离介导肽自组装过程中的多步去溶剂现象及结构演化。

接下来，作者研究了液-液相分离介导肽自组装过程中多步去溶剂的分子机制。通过核磁滴定的方式探究了肽自组装过程中与肽分子活泼氢相关的去溶剂过程（图2a），通过原位紫外光谱追踪探究了自组装过程中肽分子芳香环部分的去溶剂机制（图2b）。进一步结合密度泛函理论计算发现，在自组装的初期，与肽活泼氢相互作用的有机溶剂会被水分子取代掉，发生溶剂交换。随着水分子的进一步引入，肽分子芳香环部分的有机溶剂也会逐步失去，形成疏水分子簇，引发液-液相分离。而相分离液滴的进一步去溶剂则会诱发有序J-聚集体和H-聚集体的形成（图2c），进而促进有序核点的产生。该结果表明，去溶剂化程度与相分离液滴的形成和演化紧密相关。进一步地，作者通过分子动力学模拟深入探究了上述去溶剂过程中的微观机制（图2d-f）。结果表明，在自组装过程中，溶剂化的肽分子会通过第一步去溶剂引发溶剂交换，形成部分溶剂化的肽分子；通过第二步去溶剂，引发液-液相分离，形成富含肽的液滴；进而通过第三步去溶剂形成氢键和p-p堆积稳定的肽分子簇，促进有序核点的生成。

图2. 液-液相分离介导肽自组装过程中多步去溶剂的分子机制。

上述结果表明，多步去溶剂是液-液相分离介导生物分子自组装的关键，这种多步特征可以显著降低不同阶段的去溶剂能垒，促进自组装的进行。然而，传统自组装机制中，溶剂化肽分子通过单步去溶剂形成有序核点，需要克服较大的去溶剂能垒，其显著不同于多步去溶剂引发液-液相分离介导的肽分子自组装。因此，多步去溶剂机制是液-液相分离介导自组装区别于传统自组装的本质原因 （图3）。

图3. 多步去溶剂引发液-液相分离介导生物分子自组装机制示意图。

基于对液-液相分离介导肽自组装过程中多步去溶剂机制的认识，作者尝试了通过对去溶剂过程的操控来调控肽分子的自组装。首先，通过增加溶剂中不良溶剂水的含量来调节去溶剂动力学，可以发现，随着水的增多，组装体结构发生从纳米液滴到纳米带，进而到纳米管的转化（图4a-c）。原位紫外光谱表明，溶剂中水含量的增加有利于提高自组装速率（图4d-f）。考虑到升高温度能够降低去溶剂能垒，所以在THF/water=1:2的条件下，在组装早期阶段进行60℃、10min的加热处理，促进液滴的充分去溶剂，诱导方向性氢键的形成，最终导致柔性长纳米带的形成（图4g）。通过在室温下延长去溶剂时间，促进其卷曲形成纳米管（图4h）。而将不良溶剂水换成环己烷（THF/CYH=1:4），则会促进肽分子间氢键和p-p堆积，诱导螺旋纳米纤维的形成（图4i）。以上结果说明，通过对自组装不同阶段去溶剂化程度的有效调控可以实现对肽自组装结构的精准调控。

图4. 多步去溶剂调控肽自组装的多态性。

总结与展望：

综上所述，本工作揭示了引发液-液相分离介导的生物分子自组装的关键机制-多步去溶剂机制。该发现在分子层次上阐明了液-液相分离介导肽多步自组装区别于传统单步自组装的根本原因。进而发展了通过去溶剂调控肽自组装路径和多态性的有效策略。本工作为超分子组装的精准调控和相关疾病治疗策略的开发提供了新的思路和启示。

该工作以Research Article的形式发表在CCS Chemistry上，文章的通讯作者为闫学海研究员，第一作者兼共同通讯作者为中国科学院过程工程研究所袁成前副研究员。该研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院和过程工程研究所的大力支持。

文章详情：

Multistep Desolvation as a Fundamental Principle Governing Peptide Self-Assembly Through Liquid–Liquid Phase Separation

Chengqian Yuan*, Ruirui Xing, Jie Cui, Wei Fan, Junbai Li and Xuehai Yan*

Cite this by DOI:

10.31635/ccschem.023.202302990

文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.023.202302990

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原标题：《中科院过程所闫学海研究员和袁成前副研究员团队：发现多步去溶剂是引发液-液相分离介导的肽自组装的关键机制》

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