pH响应性自组装，登上Science！

在生物材料与纳米技术领域，如何实现蛋白质或胶体纳米粒子在宽pH范围内可控自组装并保持结构稳定，一直是一个重要挑战。天然蛋白质虽能通过复杂的静电、疏水等相互作用实现自组装，但其球状结构对表面残基突变敏感，且往往只能在狭窄的pH范围内保持稳定。合成胶体粒子虽可调控表面电荷，却缺乏蛋白质特有的分子空间特异性。因此，设计兼具蛋白质精确性与胶体稳定性的自组装体系，成为该领域亟待突破的难题。

近日，‌特拉华大学Darrin J. Pochan课题组提出了一种新型多肽卷曲螺旋(coiled-coil)束状颗粒（bundlermer），通过精确设计其表面电荷排布，实现了在极宽pH范围（pH 1、7、14）内可控自组装为液晶或有序晶格结构。该研究显示，在低浓度下，颗粒能在酸性与碱性条件下形成向列相液晶；在酸性高浓度下则出现六方柱状相；而在中性pH下，颗粒通过静电互补作用组装为有序晶格。分子动力学模拟进一步揭示了颗粒间“端对端”堆叠的普遍机制，凸显了电荷图案化排布在驱动层级自组装中的关键作用。相关论文以“Patchy peptide particles for pH-responsive assembly into liquid crystals or lattices”为题，发表在Science上。

研究团队设计了具有“– + + +”电荷排布模式的 coiled-coil 四聚体颗粒（PATCH1）。在pH 1条件下，低浓度时即可观察到向列相液晶的典型织构，偏振光显微镜显示其具有明显的双折射与条纹纹理。随着浓度升高，小角X射线散射（SAXS）数据表明颗粒进一步组装为六方柱状相。冷冻透射电镜图像直观展示了一维纳米纤维链的形成，证实了端对端堆叠的结构基础。

图1：PATCH1在酸性条件下的液晶行为 （A）PATCH1序列，pH 7下带正电残基（蓝色）与带负电残基（红色）。（B）分子模型：从左至右依次为pH 7下的带状图、带侧链的带状图，以及pH 1、7、14下的静电势表面（负电势红，正电势蓝）。（C、D）pH 1下4 wt% PATCH1在剪切前（C）与剪切后（D）的偏振光显微镜图像，显示向列相液晶特有的明暗相间条纹织构。（E）pH 1下0.1 mM PATCH1的冷冻透射电镜图像。（F）pH 1下不同浓度PATCH1的SAXS图谱，0.25 wt%数据符合刚性圆柱模型，高浓度数据显示六方堆积特征。（G–I）pH 1下0.5 wt%（G）、1 wt%（H）与10 wt%（I）的偏振光显微镜图像，插图为各向同性向向列相再向六方相转变示意图。

在pH 14的极端碱性条件下，PATCH1同样保持 coiled-coil 结构，并在约4 wt%浓度以上形成向列相液晶，但其液晶形成所需浓度高于酸性条件，且未出现六方堆积，说明碱性条件下链状组装的程度有所减弱。

当环境转为中性pH（pH 7）时，PATCH1表面同时带有正负电荷区域，通过静电互补作用驱动颗粒组装为有序晶格。SAXS图谱显示清晰的衍射峰，对应类正交晶格结构。负染透射电镜进一步证实了纳米纤维在平面内的规整排列。

图2：PATCH1的pH依赖性自组装行为 （A–C）pH 14下PATCH1在1 wt%（A）、4 wt%（B）、10 wt%（C）的偏振光显微镜图像，插图为浓度驱动向列相转变示意图。（D）pH 14下不同浓度SAXS图谱，0.25 wt%数据符合圆柱模型。（E）pH 14下0.25 wt% PATCH1的冷冻透射电镜图像，显示线性链结构。（F）pH 7下SAXS图谱，衍射峰表明有序晶格形成。（G）pH 7下1 wt% PATCH1的负染透射电镜图像，显示纳米纤维晶格排列。（H）pH 7下类正交晶格的计算模型：俯视图、侧视图及全原子侧视图，突出相邻颗粒间静电互补作用。

为进一步探究电荷密度的影响，研究还设计了电荷密度更高的变体PATCH2。在pH 1下，PATCH2在更低浓度即形成液晶，并更早转变为六方柱状相，表明增强的电荷排斥促进了组装有序性。然而在pH 14下，PATCH2未能形成链状结构或液晶，说明过高电荷密度在碱性条件下反而抑制了端对端堆叠。分子动力学模拟显示，PATCH2在pH 14下颗粒间角度分布更宽、极性接触减少，与实验结果一致。

图3：PATCH2在不同pH与浓度下的结构与相行为 （A）PATCH2序列，带正电（蓝）与带负电（红）残基。（B）分子模型：pH 7带状图、带侧链图及pH 1、7、14静电势表面。（C–E）pH 1下0.5 wt%（C）、1 wt%（D）、10 wt%（E）的偏振光显微镜图像。（F）pH 1下SAXS图谱。（G）pH 1下0.1 mM PATCH2的冷冻透射电镜图像。（H）pH 7下负染透射电镜图像，显示晶格状组装但有序度较低。（I、J）PATCH1与PATCH2在pH 1、7、14下的相图，包括各向同性、向列相、六方相与静电复合物相。

图4：PATCH1与PATCH2在pH 1、7、14下的分子动力学模拟 （A、B）PATCH1与PATCH2在pH 1/7（上）与pH 14（下）的端对端堆叠模拟构型。（C）pH 7下PATCH1接触界面示意图，突出疏水相互作用与盐桥。（D）相邻颗粒间角度分布。（E）堆叠界面间距分布。（F）颗粒间极性接触与盐桥数量统计。

研究还通过末端甘氨酸修饰实验验证了堆叠机制：C末端修饰完全阻断了端对端堆叠与液晶形成，而N末端修饰则无影响，说明C末端在维持堆叠界面中起关键作用。

图5：末端甘氨酸修饰对颗粒自组装的影响 （A）PATCH1与PATCH2的N端或C端添加三甘氨酸的序列。（B、C）pH 1下PATCH1-3G-N与PATCH2-3G-N的冷冻透射电镜图像，显示链状结构。（D）pH 1下0.25 wt%各变体的SAXS图谱，C端修饰变体未能形成链状组装。

综上所述，该研究通过精确设计多肽表面电荷图案与末端结构，实现了在极端pH条件下可控、层级化的自组装，为开发在苛刻环境中仍能保持蛋白质类特异性与功能性的软材料系统提供了新思路。该设计原则可推广至其他 coiled-coil 体系，未来有望用于生物传感、药物递送及环境响应性材料等领域。