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【翼享学术】南京大学董昊教授和王炜教授课题组合作在功能多肽自组装领域取得新进展

  • 2026-06-30 13:24:02
【翼享学术】南京大学董昊教授和王炜教授课题组合作在功能多肽自组装领域取得新进展

多肽自组装是构建生物相容性催化材料的理想平台,其可通过氨基酸序列精准调控组装形貌,实现天然酶功能的高效模拟。但长期以来,氨基酸序列如何决定组装结构、组装形貌如何影响催化效率,一直缺乏原子层面的机理解释,成为制约仿酶多肽材料设计的核心瓶颈。

近日,南京大学董昊教授、王炜教授联合上海科技大学陆珺霞教授团队,通过多尺度模拟 + 固体核磁实验强强联合,在《Journal of the American Chemical Society》发表重要成果:首次揭示多肽自组装中的 **“扭曲微结构”** 是决定仿酶催化活性的关键 —— 扭曲结构能平衡骨架刚性与活性位点柔性,使反应能垒显著降低,催化效率大幅提升。该工作建立了 “序列→组装→结构→催化” 的完整理论链条,为设计高性能仿酶生物材料提供了从原子到功能的全新指导。

Part 01

究背景:仿酶多肽自组装的 “黑箱问题”

多肽能通过弱相互作用自组装成纳米纤维、囊泡、管状等多级结构,是模拟酶催化的理想体系。然而领域长期面临三大核心难题:

  • 序列与形貌关系不明确:氨基酸序列如何调控组装成平行 / 反平行 β 片、扭曲 / 平整纤维?

  • 结构与稳定性关系不明确:氢键、疏水作用、界面亲水 / 疏水分布如何影响聚集体稳定性?

  • 结构与催化活性关系不明确:为什么看似相似的纤维,催化效率差距巨大?

这些问题让仿酶多肽的设计停留在 “试错阶段”,难以实现理性设计。

Part 02

究策略:多尺度模拟 + 固体核磁实验

团队采用计算驱动、实验验证的顶尖交叉范式,实现从机理到应用的突破:

01
多尺度模拟
  • 全原子分子动力学

  • 量子力学反应路径计算

  • 氢键、界面亲疏水、链间夹角、结构柔性定量分析

02
实验精准验证
  • 固体核磁(REDOR/PITHIRDS-CT)测原子间距、分子取向

  • 表征 β 片层间距离、多肽排列方式

03
天然酶结构比对

分析 400 + 碳酸酐酶晶体结构,验证仿酶活性中心的共性规律

Part 03

核心发现:扭曲微结构 = 高活性关键
01
两亲多肽自组装形成 “类磷脂双层” 结构

多肽依靠氢键、疏水作用、范德华力组装:

  • 内部:疏水区域紧密堆积(dry interface)

  • 表面:亲水区域暴露并结合金属离子(wet interface)

    形成稳定且可提供催化位点的有序纤维。

02
氨基酸序列决定 β 片层的排列与扭曲程度

改变序列可直接调控:

  • β 片层:平行 / 反平行

  • 纤维形貌:平整 / 扭曲

  • 链间夹角、可及溶剂面积、氢键数量

03
扭曲结构实现 “刚性 — 柔性” 最佳平衡
  • 平整结构:太刚性,活性位点难以形成最优配位

  • 扭曲结构:

    足够氢键保证整体稳定

    适度扭曲提供活性位点柔性

    金属离子可完美结合并完成催化

    这是仿酶活性的核心结构密码。

04
扭曲结构显著降低催化能垒

量子力学计算显示:扭曲结构的反应能垒显著低于平整结构,活性提升源于微观结构差异。

05
与天然酶高度一致

对 400 多种天然碳酸酐酶结构分析发现:

天然酶活性中心同样具有特征性扭曲微环境。

这意味着:

模仿天然酶的 “扭曲微结构”,是提升仿酶活性的通用设计原则。

Part 04

实验验证:固体核磁直接证实理论模型

研究通过两项关键固体核磁实验,完全验证了模拟预测:

  • REDOR:测 ¹⁵NH–¹³C、¹³CO–¹⁵N 距离,确定多肽链间距与取向

  • PITHIRDS-CT:测相邻肽键羰基距离,确定 β 片层堆积方式

实验结果与计算模型高度吻合,证明多尺度模拟具有极强预测能力。

Part 05

科学意义:理性设计仿酶材料的里程碑
01
首次建立序列 — 组装 — 结构 — 催化的完整机理

让仿酶多肽从 “经验合成” 走向 “理性设计”。

02
提出 “扭曲微结构” 是仿酶催化的通用设计原则

可用于:

  • CO₂水合酶

  • 氧化酶

  • 水解酶

  • 其他金属依赖型仿酶催化

03
证明多尺度模拟 + 固体核磁是研究生物组装的黄金组合

对多肽、淀粉、蛋白组装、脑科学研究均具有范式意义。

04
为脑科学相关疾病机理提供基础理论

多肽组装与淀粉样聚集、神经退行性疾病密切相关,机理具有重要延伸价值。

Part 06

总结

该工作以两亲七肽自组装为模型,用多尺度模拟 + 固体核磁共同证明:多肽纤维的扭曲微结构,是仿酶高活性的根源。扭曲结构平衡了稳定性与柔性,使活性位点达到天然酶级别的微环境,从而实现高效催化。

这项发表于JACS的研究,不仅是多肽自组装领域的理论突破,更是理性设计仿酶催化材料的重要里程碑,对生物材料、催化、纳米医学、脑科学都具有深远意义。

图文导读

图1. 具有两亲性质的七肽链,以及不同序列肽链形成的聚集体结构。

图2. 多肽链序列的改变导致其聚集成为β片结构时采用不同的取向。

图3. 多肽链的主链与侧链对于不同形貌的自组装结构的影响。

图4. 与低活性的纤维结构(图右下角)比,高活性纤维结构(图左上角)具有更好的结构稳定性和更大的链间夹角。

图5. 多固核磁表征纤维结构中相邻链间的距离。左图:采用REDOR测量15NH-I3和13CO-I5的距离;右图:采用PITHIRDS-CT测量13CO-I5的距离。

图6. 不同序列多肽的催化机理及反应势能面。

Principles governing catalytic activity of self-assembled short peptides

J. Am. Chem. Soc., 2018

DOI: 10.1021/jacs.8b08893

END

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