韓偉課題組和李子剛課題組在多肽自組裝機(jī)制分子動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
近日韓偉課題組與李子剛課題組合作共同在《美國化學(xué)學(xué)會(huì)納米》科學(xué)雜志(ACS Nano，IF：13.7 )上在線發(fā)表題為“Conformation Dependence of Diphenylalanine Self-Assembly Structures and Dynamics：Insights from Hybrid-Resolution Simulations”的研究論文（DOI: 10.1021/acsnano.8b09741），針對(duì)苯丙胺酸二肽（FF）分子的自組裝過程，深入闡述了多肽構(gòu)象對(duì)自組裝形貌和動(dòng)力學(xué)的影響，為新型功能材料的設(shè)計(jì)提供了新穎的思路。
構(gòu)象變化對(duì)FF自組裝機(jī)制的影響示意圖
多肽自組裝材料近年來因其簡單易得，良好的生物相容性和生物可降解引起了廣泛的關(guān)注，逐漸在生物材料、環(huán)境材料、光電材料、醫(yī)學(xué)材料等領(lǐng)域大放異彩。如何合理地的設(shè)計(jì)多肽的分子結(jié)構(gòu)從而獲得特定的自組裝納米結(jié)構(gòu)是多肽自組裝材料研究的核心科學(xué)問題。多肽自組裝材料的分子設(shè)計(jì)很大程度上依賴于對(duì)多肽分子復(fù)雜多變的構(gòu)象特征與多肽自組裝行為之間關(guān)系的深入理解。運(yùn)用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多肽自組裝過程中構(gòu)象細(xì)節(jié)的表征頗具挑戰(zhàn)。計(jì)算機(jī)模擬是一種與實(shí)驗(yàn)測(cè)量互為補(bǔ)充的表征技術(shù)，可以提供實(shí)驗(yàn)上難以捕捉到的分子細(xì)節(jié)。然而，由于多肽自組裝體系過于復(fù)雜，運(yùn)用計(jì)算模擬觀測(cè)這個(gè)過程的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)還十分困難。為了克服這些計(jì)算上的技術(shù)挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一套高效的多尺度多肽模型，并運(yùn)用該模型對(duì)數(shù)千個(gè)苯丙氨酸二肽（FF）分子的自組裝過程進(jìn)行了大量的計(jì)算模擬，首次觀測(cè)到FF自組裝過程中構(gòu)象變化的分子細(xì)節(jié)，并深入地探討了多肽構(gòu)象在這個(gè)過程中所起的作用。
研究團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算模擬得到多種形貌的雙層自組裝結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了如臨界自組裝濃度和二級(jí)結(jié)構(gòu)含量等重要性質(zhì)，這些模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)高度一致。在此基礎(chǔ)上他們通過對(duì)模擬結(jié)果的深入分析，發(fā)現(xiàn)不同自組裝納米結(jié)構(gòu)和多肽分子構(gòu)象之間存在著依賴性。納米結(jié)構(gòu)的形貌與多肽分子側(cè)鏈的相對(duì)位置密切相關(guān)，而納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部分子的堆積方式則與多肽主鏈的氫鍵取向存在關(guān)聯(lián)。游離狀態(tài)下的FF分子與自組裝納米結(jié)構(gòu)中的FF分子構(gòu)象有著明顯的區(qū)別。在自組裝過程中，隨著高度有序納米結(jié)構(gòu)的形成，自組裝結(jié)構(gòu)中一種類似FF晶體構(gòu)象的比例大幅上升。
最后，研究團(tuán)隊(duì)還探索了構(gòu)象變化對(duì)自組裝的影響。出乎意料的是，一些與自組裝納米結(jié)構(gòu)并不兼容的構(gòu)象仍然可以在自組裝過程中作為中間體瞬時(shí)的存在，而且這一構(gòu)象變化是促進(jìn)整個(gè)自組裝過程不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
總的來說，該研究所揭示的機(jī)制細(xì)節(jié)大大加深了人們對(duì)多肽自組裝過程機(jī)制的理解，而該研究所開發(fā)的計(jì)算模擬方法也將會(huì)成為多肽自組裝材料設(shè)計(jì)研究中一種重要的研究手段，具有廣闊的應(yīng)用前景。
以上研究由韓偉老師和李子剛老師共同指導(dǎo)，北京大學(xué)五年級(jí)博士研究生熊琴思和江意翔（共同第一作者）以及課題組其他成員合作完成。以上工作得到了國家自然科學(xué)基金，深圳市科技創(chuàng)新基金以及深圳市孔雀計(jì)劃項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.8b09741
文字:熊琴思
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