中国青年学者领衔！水熊虫启发出一篇Nature Materials!

简单肽分子，可模拟自然蛋白质保护机制！

生物材料领域长期面临一项关键挑战：尽管多肽是设计功能材料的理想基元，但其组装通常依赖定向氢键模式形成稳定的一维或二维结构，难以模拟生物系统中灵活应对外界环境的动态结构。传统肽材料因刚性氢键网络导致可逆性差，限制了其在生物分子保护中的应用。

灵感来自于像水熊虫这种能在极端脱水环境中生存的生物，纽约城市大学Rein Ulijn教授和何叶（Ye He）副教授合作团队提出了一种由赖氨酸（K）、酪氨酸（Y）和色氨酸（W）组成的最小化三肽序列。这些肽通过多价侧链相互作用形成高溶解性动态集合体，在干燥过程中经历液-液相分离并固化为刚性的多孔微米颗粒薄膜。该材料可瞬间遇水重分散，并能高效封装蛋白质和小分子载荷，在再分散后保持蛋白质稳定性。这种机制模拟了自然界生物抵御脱水的保护策略。相关论文以“Adaptive peptide dispersions enable drying-induced biomolecule encapsulation”为题，发表在Nature Materials上，博士生徐乐乐为共同一作

作者在接受采访时介绍，蛋白质的包裹效率非常高，”何叶教授表示，“我们原本没想到，这样简短的肽序列竟能实现如此出色的保护效果。” Ulijn教授补充道：“这项研究不仅揭示了肽分子自组织的一种全新机制，也为生物技术应用引入了一个极简、实用的材料平台。”这一发现具有广泛的应用前景。从无需冷链的疫苗运输，到新型智能响应材料的开发，该研究为未来的技术创新和科学探索奠定了重要基础。

分子设计突破方向性限制

研究团队通过对比KFF、KYF、KYY与KYW三肽发现：当苯丙氨酸（F）被酪氨酸（Y）和色氨酸（W）替代时，氢键相互作用从骨架主导转向侧链主导。分子动力学模拟显示，KYW的聚集倾向性显著提高，且20-50mM浓度下核磁共振谱未出现信号展宽，证实其形成非定向动态集合体。色氨酸的引入通过π堆叠、氢键和静电作用维持了溶液态的高动态性。

图1. 肽自组装的方向性与分散性 a) KFF、KYF、KYY、KYW三肽的化学结构；b) 20mM磷酸缓冲液中肽的宏观状态；c) KFF（仅显示骨架）和KYW的分子动力学模拟快照，突出氢键相互作用；d) 序列依赖性聚集倾向（上）及氢键分布（下）；e) KYW在水箱中的组装模拟；f) KYW质子化学位移扰动（50mM vs 1mM）；g) 不同浓度下KYW的¹H NMR谱。

序列异构体调控微环境

六种K/Y/W序列异构体（KYW、KWY、YKW、YWK、WKY、WYK）均保持高溶解性，但色氨酸微环境存在差异。荧光光谱显示，WYK的色氨酸发射峰红移（370nm），表明其处于亲水环境；而WKY蓝移（357nm）暗示疏水微环境。核磁化学位移扰动和硫黄素T荧光响应进一步证实，序列差异通过改变π型、阳离子-π和静电相互作用强度，调控了动态疏水域的形成。

图2. 三肽分散体的序列依赖性 a) 序列异构体的聚集倾向、色氨酸溶剂可及表面积及氢键分布；b) WKY（疏水环境）与WYK（水合环境）的模拟快照；c) 溶液中色氨酸残基的3D荧光光谱；d) WKY与WYK的化学位移扰动；e) 色氨酸NH质子浓度依赖性化学位移。

蒸发驱动的智能相变

在蒸发驱动的组装过程中，20mM的K/Y/W肽溶液展现出独特行为：传统肽（KFF/KYF/KYY）形成一维纤维，而K/Y/W序列在干燥前沿发生液-液相分离，形成球形液滴。共聚焦显微镜捕捉到液滴融合动态（如WKY液滴在14秒内融合），随后在430秒固化成表面多孔结构。

图3. 蒸发驱动组装 a) 固着液滴蒸发组装示意图；b) KYW蒸发过程的光学图像；c) KYW液滴蒸发时间序列；d) KYY（一维纤维）与KYW（球形颗粒）的显微对比；e) WKY液滴融合的共聚焦记录；f-g) 固化过程孔隙形成分析。

多孔颗粒形成机制

干燥形成的颗粒呈现半球形多孔结构（图4b-c），聚焦离子束扫描电镜证实其内部孔隙达30-500nm。研究提出创新机制：液滴因内部微气腔产生浮力上升至气-液界面，扁平化后固化（图4a）。原子力显微镜测得颗粒杨氏模量达6GPa。通过溶液脱气处理可减少孔隙（图5e），证实气体在成孔中的关键作用。

图4. 浮力液滴与多孔颗粒形成 a) 蒸发驱动组装机制：浮力液滴在界面形成半穹顶颗粒；b) 表面多孔结构的SEM图像；c) FIB-SEM揭示半球形多孔内部；d) 交联KWY颗粒的TEM图像；e) AFM分析多孔结构；f) 肽组装体的杨氏模量。

粒径精准调控与瞬时可逆性

温度与缓冲液浓度可实现粒径控制：升温（25℃→60℃）加速相变，颗粒均一性提高；高盐浓度（1M磷酸盐）使粒径缩小至25μm（图5a-d）。脱气处理使颗粒体积缩小20倍且球形度提升（图5f-g）。最显著的是材料可逆性——干燥薄膜遇水瞬间重分散，再蒸发时颗粒薄膜重现，颠覆了传统肽材料不可逆组装的认知（图5h）。

图5. 尺寸控制、形貌调控与可逆性 a-b) 温度对KWY颗粒尺寸的影响；c-d) 盐浓度对WKY颗粒的调控；e-g) 脱气处理对颗粒的影响；h) KWY薄膜遇水重分散与再蒸发过程。

生物分子封装与保护效能

干燥过程中，Alexa 488染料和增强型绿色荧光蛋白（EGFP）被高效封装于肽液滴（图6b-c）。EGFP在干燥薄膜中储存5天后，再分散仍保留荧光活性，而对照组荧光完全淬灭（图6d-f）。溶菌酶封装实验表明，干燥15天后仍保留80%活性（图6g）。机制研究表明，载荷分子先通过静电/π作用与动态肽集合体结合，相变时被包裹入液滴，与预成型凝聚体的传统封装截然不同。

图6. 干燥诱导封装与保护 a) 载荷封装机制：动态络合→液滴包裹；b) Alexa 488染料封装；c) EGFP蛋白封装；d) 干燥颗粒中EGFP荧光保留；e-f) EGFP稳定性测试；g) 溶菌酶活性保留实验。

应用前景

该研究开发的K/Y/W三肽通过模拟自然界脱水保护机制（如水熊虫和植物种子的液-液相分离策略），为生物大分子存储提供了变革性平台。其干燥诱导的自发乳化、封装与瞬时再分散特性，无需机械能输入即可实现蛋白质稳定存储，在生物制药、疫苗运输和诊断试剂保存领域具重大应用潜力。未来可进一步探索色氨酸界面组装能力在仿生材料中的拓展应用。

来源：高分子科学前沿

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