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科学家们已经开发出控制类肽的精确形状和“手性”的方法，类肽是一种受自然分子结构启发的蛋白质类分子，对药物输送和疾病治疗等应用至关重要。他们的研究突出了他们在为各种技术和医疗用途创造功能性肽基材料方面的创新技术。图片来源:Nathan Johnson插图|太平洋西北国家实验室

研究人员已经学会了控制肽的“手性”，这是精确给药和诊断的关键因素。

自然界充满了极其精确的分子形状，它们像手套里的手一样相互配合。例如，蛋白质可以组装成各种各样的明确的形状，从而赋予它们功能。

材料科学家陈春龙说:“正如在阿尔茨海默氏症中观察到的那样，根据它们的形状，蛋白质可以与其他蛋白质结合在一起发挥功能或通过聚集在一起而发生故障。”“了解它们是如何组装的，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Nature Communications和Angewandte Chemie上发表的研究中，Chen和他的PNNL同事研究了如何通过创造受大自然启发的肽类材料来控制这些形状。他使用这些复杂的蛋白质样分子来设计能源应用的物质，比如收集光线或分解木质素。在过去的十年里，Chen和他在太平洋西北国家实验室的团队开发了一个平台，用于创造基于肽的功能材料和表征它们的行为。

“类肽具有广泛应用的潜力，”陈说。“基于它们的组合形状和其他特性，可以将类肽设计成药物递送剂或人工酶。”

就像一只戴着手套的手

Chen和他的同事们与华盛顿大学、芝加哥大学和佐治亚理工学院合作，设计出具有精确形状的类肽组装体。他们的实验包括控制螺旋的“旋向性”。螺旋可以是“左旋”或“右旋”，这取决于它们螺旋的方向。他们的研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

Chen说:“在设计特殊分子时，比如药物，惯用手性是非常重要的。”“了解和控制这种手性可以为蛋白质组装等过程提供见解，对于寻找治疗蛋白质折叠相关疾病(如阿尔茨海默病)的方法可能很有价值。”

陈春龙和他的团队开发了一种控制肽螺旋形状的方法。图片来源:陈春龙|西北太平洋国家实验室

在这个实验中，陈和他的团队选择了螺旋状的螺旋结构，因为它们在生物学上很重要。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旋和右旋螺旋的混合物。在自然界中，蛋白质需要以特定的构象来发挥它们的功能——大多数是左旋构象。

Chen说:“在我们之前的其他研究小组已经能够合成类肽纳米螺旋，但精确控制它们的形状和手性仍然是一个挑战。”“能够控制它们的形状不仅可以为设计未来的材料打开大门，还可以为涉及这些结构的生物过程提供见解。”

通过实验和计算技术的结合，Chen和他的团队发现了一种控制肽螺旋旋向性的方法。与蛋白质类似，类肽是由类似氨基酸的构建块产生的。每个构建块都有相同的“骨干”原子，形成肽键，然而，链中的每个单独的链接可以有很大的不同。陈的研究小组发现，他们可以通过操纵肽侧链的序列来控制螺旋的形状。

为类肽研究增加了另一个维度

为了进一步研究肽是如何组装的，Chen与来自华盛顿大学、哈佛大学、宾厄姆顿大学和浙江科技大学的同事合作。在之前二维肽类结构研究的基础上，该团队成功开发了三维螺旋纳米结构。

他们观察到，在类肽序列中包含特殊的原子“官能团”，使它们能够创造出具有特殊功能的结构——类似于蛋白质组合。他们的研究成果发表在《安吉旺特化学》杂志上。

“虽然这是一项基础研究，但这项研究为我们提供了更多的见解，让我们了解如何为特定应用创造更好、更精确的材料——就像在自然界中发现的那样，”陈说。“类肽具有广泛应用的潜力。基于它们的结构和其他特性，有可能将类肽设计成药物输送剂或人工光收集系统。”

在未来，陈和他的团队希望创造出广泛应用的肽类纳米材料。正如他们在研究论文中概述的那样，控制肽的形状只是第一步。

引用:“组装短两亲性peptoids与可控的超分子手性”nanohelices Renyu郑,Mingfei赵,景山s Du Tarunya Rao苏达山,翼城县,Anant k . Paravastu James j . De Yoreo安德鲁·l·弗格森和Chun-Long陈,2024年4月16日,自然通讯。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 46839 - y

“序列定义肽类多维功能材料的层次化自组装”，邵莉，胡德宏，郑少亮，金氏，陈春龙，周文浩，王浩宇，宗彦旭，李长宁，陈春龙，2024年4月24日，化学国际版。DOI: 10.1002 / anie.202403263

这两项研究主要由能源部、科学办公室、基础能源科学项目作为能源前沿研究中心项目的一部分支持:CSSAS -跨尺度综合科学中心。