在极端pH条件下维持稳定的前提下，将蛋白质或胶体纳米粒子通过可编程控制自组装为目标纳米结构，仍是一项重大挑战。
在此，特拉华大学Darrin J. Pochan教授和Tianren Zhang等人设计了一种卷曲螺旋束肽纳米粒子，这类粒子能依赖其图案化表面电荷排布，在异常宽广的pH范围（pH 1、7和14）内形成有序的多级结构材料。
在低浓度（约0.5%至4%质量分数）条件下，pH 1和pH 14环境中观察到向列相液晶的形成，而在pH 1的高浓度条件下则出现六方柱状相。在中性pH环境中，同样的图案化纳米粒子通过静电络合作用组装成有序晶格，分子动力学模拟揭示了所有物相均存在粒子端对端堆叠的机制。氨基酸组成完全相同但缺乏设计电荷图案的卷曲螺旋结构未显示任何有序组装行为，这证明了具有类蛋白质空间排布特异性的可编程静电相互作用的重要性。
相关文章以“Patchy peptide particles for pH-responsive assembly into liquid crystals or lattices”为题发表在Science上！
从纳米尺度到多级结构的分子自组装设计与调控，是开发新型肽基与蛋白质基材料、理解球状蛋白质溶液稳定性的基本原理的关键前沿领域。一个核心挑战在于对带电氨基酸间静电相互作用的控制，这种作用既可引导组装形成有序纳米结构，产生如蛋白质凝聚或液晶形成等相行为，也可能导致限制储存与功能的非预期聚集与沉淀。
尽管天然蛋白质通过结合电荷、极性与疏水相互作用展现出复杂的自组装能力，但其球状结构与复杂性使其不太适用于电荷导向组装的系统性研究——对蛋白质表面残基的大量突变常会破坏其球状结构。具有设计表面电荷的合成胶体粒子虽能模拟部分蛋白质行为，但缺乏球状蛋白质所特有的带电氨基酸排布的分子特异性。
此外，大多数天然蛋白质仅在狭窄的pH范围内保持稳定。我们通过设计肽基卷曲螺旋束纳米粒子——一种具有相同尺寸、形状和净电荷，同时具备图案化表面电荷分布并在极端pH条件下保持稳定性的纳米粒子——来弥合球状蛋白质与合成胶体粒子之间的鸿沟。
具有原子级精度的肽自组装对于功能材料和目标纳米结构的设计至关重要。分子设计的范例包括：通过疏水尾部堆积和β-折叠氢键组装成一维纳米纤维的两亲性肽，其溶剂暴露表面常引入带电氨基酸以通过静电相互作用调控组装与稳定性。
苯-1,3,5-三甲酰胺盘状结构是另一类被深入研究的二维系统，通过酰胺导向的氢键和π-π堆积形成，可实现具有可调持续长度和有序度的超分子聚合。卷曲螺旋肽提供了一种互补策略，提供了一个可折叠的、序列编码的支架，其中带电氨基酸的空间排布可被精确编程。束纳米粒子是通过计算设计的、反向平行且同源四聚的卷曲螺旋结构。先前采用正负混合氨基酸的设计实现了每个粒子所需的净电荷。
在特殊情况下，混合电荷粒子形成了二维自组装晶格，尽管在较高浓度下它们通常形成无序聚集体，除非通过共价键首尾连接。近期的设计引入了外围粒子间疏水相互作用以控制有序晶格组装。另一方面，具有所需净电荷的单一电荷粒子（即粒子外围仅含带正电荷氨基酸，无负电荷）在中性pH条件下可形成液晶，当与带相反电荷的粒子混合时则形成纳米多孔晶格。
混合电荷（无序）与单一电荷（有序）在中性pH溶液行为上的显著差异，促使了本工作中pH响应性图案化电荷设计的提出。每个设计的肽包含四个典型的卷曲螺旋七肽重复单元，其负电荷[谷氨酸（E）]与正电荷[赖氨酸（K）、精氨酸（R）]残基呈“−−++”排布（图1），从而产生从表面呈现pH敏感电荷图案的束纳米粒子。
该设计实现了在极端pH值（1、7和14）下的溶液组装及多种有序材料的形成。在pH 1和14条件下，图案化束纳米粒子能稳定地首尾堆叠，在低浓度时形成液晶相，而在酸性高浓度条件下则出现六方柱状相。在pH 7时，相反电荷图案之间的静电互补性驱动了有序晶格的形成。当“−−++”七肽排布模式因电荷在七肽间无序重排而被破坏时，多级有序组装不再发生，仅观察到单个卷曲螺旋结构的组装。
图1：酸性条件下PATCH1的LC行为.
图2：PATCH1的pH依赖性自组装行为.
图3：不同pH和浓度条件下PATCH2的结构与相行为。
图4：在pH 1、7和14条件下对PATCH1和PATCH2进行的分子动力学模拟。
图5：末端甘氨酸修饰及其对束状体自组装的影响。
综上所述，本文通过精确设计肽链的电荷排布模式，实现了束肽纳米粒子在极端及中性pH条件下的可控自组装。PATCH1序列凭借“−−++”电荷图案，在pH 1和14下分别形成带正电或负电的链状结构及液晶相，在中性pH下则组装为有序晶格；而仅提高电荷密度的PATCH2仅在pH 1下增强液晶行为，表明电荷密度与结构稳定性需精细平衡。
对比实验证明，表面电荷各向异性是驱动有序组装的关键。研究进一步提出可推广的设计原则：维持疏水核心稳定寡聚态、设计末端互补促进首尾连接、在溶剂暴露位点布局功能电荷以调控相互作用。这些原则为编程多级自组装提供了通用蓝图，其稳定且pH响应的特性为开发耐受苛刻环境的类蛋白质软材料系统奠定了基础。
Yao Tang, Tianren Zhang, Dai-Bei Yang, Jacob Schwartz, Christopher J. Kloxin, Jeffery G. Saven, and Darrin J. Pochan,Patchy peptide particles for pH-responsive assembly into liquid crystals or lattices, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz6812
