pH響應性自組裝，登上Science！

在生物材料與納米技術領域，如何實現蛋白質或膠體納米粒子在寬pH范圍內可控自組裝并保持結構穩定，一直是一個重要挑戰。天然蛋白質雖能通過復雜的靜電、疏水等相互作用實現自組裝，但其球狀結構對表面殘基突變敏感，且往往只能在狹窄的pH范圍內保持穩定。合成膠體粒子雖可調控表面電荷，卻缺乏蛋白質特有的分子空間特異性。因此，設計兼具蛋白質精確性與膠體穩定性的自組裝體系，成為該領域亟待突破的難題。

近日，?特拉華大學Darrin J. Pochan課題組提出了一種新型多肽卷曲螺旋(coiled-coil)束狀顆粒（bundlermer），通過精確設計其表面電荷排布，實現了在極寬pH范圍（pH 1、7、14）內可控自組裝為液晶或有序晶格結構。該研究顯示，在低濃度下，顆粒能在酸性與堿性條件下形成向列相液晶；在酸性高濃度下則出現六方柱狀相；而在中性pH下，顆粒通過靜電互補作用組裝為有序晶格。分子動力學模擬進一步揭示了顆粒間“端對端”堆疊的普遍機制，凸顯了電荷圖案化排布在驅動層級自組裝中的關鍵作用。相關論文以“Patchy peptide particles for pH-responsive assembly into liquid crystals or lattices”為題，發表在Science上。

研究團隊設計了具有“– + + +”電荷排布模式的 coiled-coil 四聚體顆粒（PATCH1）。在pH 1條件下，低濃度時即可觀察到向列相液晶的典型織構，偏振光顯微鏡顯示其具有明顯的雙折射與條紋紋理。隨著濃度升高，小角X射線散射（SAXS）數據表明顆粒進一步組裝為六方柱狀相。冷凍透射電鏡圖像直觀展示了一維納米纖維鏈的形成，證實了端對端堆疊的結構基礎。

圖1：PATCH1在酸性條件下的液晶行為 （A）PATCH1序列，pH 7下帶正電殘基（藍色）與帶負電殘基（紅色）。（B）分子模型：從左至右依次為pH 7下的帶狀圖、帶側鏈的帶狀圖，以及pH 1、7、14下的靜電勢表面（負電勢紅，正電勢藍）。（C、D）pH 1下4 wt% PATCH1在剪切前（C）與剪切后（D）的偏振光顯微鏡圖像，顯示向列相液晶特有的明暗相間條紋織構。（E）pH 1下0.1 mM PATCH1的冷凍透射電鏡圖像。（F）pH 1下不同濃度PATCH1的SAXS圖譜，0.25 wt%數據符合剛性圓柱模型，高濃度數據顯示六方堆積特征。（G–I）pH 1下0.5 wt%（G）、1 wt%（H）與10 wt%（I）的偏振光顯微鏡圖像，插圖為各向同性向向列相再向六方相轉變示意圖。

在pH 14的極端堿性條件下，PATCH1同樣保持 coiled-coil 結構，并在約4 wt%濃度以上形成向列相液晶，但其液晶形成所需濃度高于酸性條件，且未出現六方堆積，說明堿性條件下鏈狀組裝的程度有所減弱。

當環境轉為中性pH（pH 7）時，PATCH1表面同時帶有正負電荷區域，通過靜電互補作用驅動顆粒組裝為有序晶格。SAXS圖譜顯示清晰的衍射峰，對應類正交晶格結構。負染透射電鏡進一步證實了納米纖維在平面內的規整排列。

圖2：PATCH1的pH依賴性自組裝行為 （A–C）pH 14下PATCH1在1 wt%（A）、4 wt%（B）、10 wt%（C）的偏振光顯微鏡圖像，插圖為濃度驅動向列相轉變示意圖。（D）pH 14下不同濃度SAXS圖譜，0.25 wt%數據符合圓柱模型。（E）pH 14下0.25 wt% PATCH1的冷凍透射電鏡圖像，顯示線性鏈結構。（F）pH 7下SAXS圖譜，衍射峰表明有序晶格形成。（G）pH 7下1 wt% PATCH1的負染透射電鏡圖像，顯示納米纖維晶格排列。（H）pH 7下類正交晶格的計算模型：俯視圖、側視圖及全原子側視圖，突出相鄰顆粒間靜電互補作用。

為進一步探究電荷密度的影響，研究還設計了電荷密度更高的變體PATCH2。在pH 1下，PATCH2在更低濃度即形成液晶，并更早轉變為六方柱狀相，表明增強的電荷排斥促進了組裝有序性。然而在pH 14下，PATCH2未能形成鏈狀結構或液晶，說明過高電荷密度在堿性條件下反而抑制了端對端堆疊。分子動力學模擬顯示，PATCH2在pH 14下顆粒間角度分布更寬、極性接觸減少，與實驗結果一致。

圖3：PATCH2在不同pH與濃度下的結構與相行為 （A）PATCH2序列，帶正電（藍）與帶負電（紅）殘基。（B）分子模型：pH 7帶狀圖、帶側鏈圖及pH 1、7、14靜電勢表面。（C–E）pH 1下0.5 wt%（C）、1 wt%（D）、10 wt%（E）的偏振光顯微鏡圖像。（F）pH 1下SAXS圖譜。（G）pH 1下0.1 mM PATCH2的冷凍透射電鏡圖像。（H）pH 7下負染透射電鏡圖像，顯示晶格狀組裝但有序度較低。（I、J）PATCH1與PATCH2在pH 1、7、14下的相圖，包括各向同性、向列相、六方相與靜電復合物相。

圖4：PATCH1與PATCH2在pH 1、7、14下的分子動力學模擬 （A、B）PATCH1與PATCH2在pH 1/7（上）與pH 14（下）的端對端堆疊模擬構型。（C）pH 7下PATCH1接觸界面示意圖，突出疏水相互作用與鹽橋。（D）相鄰顆粒間角度分布。（E）堆疊界面間距分布。（F）顆粒間極性接觸與鹽橋數量統計。

研究還通過末端甘氨酸修飾實驗驗證了堆疊機制：C末端修飾完全阻斷了端對端堆疊與液晶形成，而N末端修飾則無影響，說明C末端在維持堆疊界面中起關鍵作用。

圖5：末端甘氨酸修飾對顆粒自組裝的影響 （A）PATCH1與PATCH2的N端或C端添加三甘氨酸的序列。（B、C）pH 1下PATCH1-3G-N與PATCH2-3G-N的冷凍透射電鏡圖像，顯示鏈狀結構。（D）pH 1下0.25 wt%各變體的SAXS圖譜，C端修飾變體未能形成鏈狀組裝。

綜上所述，該研究通過精確設計多肽表面電荷圖案與末端結構，實現了在極端pH條件下可控、層級化的自組裝，為開發在苛刻環境中仍能保持蛋白質類特異性與功能性的軟材料系統提供了新思路。該設計原則可推廣至其他 coiled-coil 體系，未來有望用于生物傳感、藥物遞送及環境響應性材料等領域。