2025年1月16日，复旦大学陈国颂-江明课题组团队在《自然•合成》（Nature Synthesis）期刊发表了题为“Helical protein nanotubules assembled from sacrificial supramolecular polymers”的研究论文。
蛋白质的精确螺旋超分子聚合物只能通过调节复杂的竞争性超分子相互作用在体内实现。这种形成表明细胞控制水平以高保真度定义了功能结构。由于缺乏天然的竞争相互作用，通过合成反应实现这种现象是一个挑战。为解决这一难题，研究团队提出了一种创新的多组分竞争组装系统，结果表明聚集配体解离提供的焓-熵补偿调节了蛋白纳米管螺旋结构的均一性，并进一步地影响溶液的物理性质和脂质体的形态。
研究人员设计了一种名为牺牲型配体超分子聚合物（LSP）的策略，用于调控蛋白质的自组装并形成螺旋状纳米管。通过利用超分子相互作用的固有动力学，设计中引入了一个竞争网络来确保可控的聚合过程。LSP设计具有特定的疏水核心，通过π-π堆积作用实现自组装。特别是，当LSP与大豆凝集素（SBA）结合后解离，从而诱导蛋白质超分子聚合物（PSP）的形成。这一设计模仿了生物系统中分子组装之间的动态竞争，确保了人工蛋白微管结构的均一性。
图1（a）自然微管通过磷酸化和微管相关蛋白调控的示意图；（b）牺牲型LSP分解后诱导蛋白质形成螺旋状蛋白质纳米管。
该工作首先合成了两种配体PE1Gal和PE2Gal，并评估了它们的聚集趋势及其与SBA蛋白的相互作用。冷冻电子显微镜（cryo-EM）结果表明PE1Gal和PE2Gal在水溶液中都形成了纤维状结构，但圆二色性(CD)研究表明PE1Gal组装体具有手性结构，但PE2Gal具有非手性行为。进一步的分子动力学模拟表明，PE1Gal的聚集较紧密，而PE2Gal则聚集较松散。与SBA混合后，在配体和蛋白质组装体竞争的驱动下，PE2Gal
LSP转化为均匀的蛋白质纳米管。相比之下，PE1Gal依然保持稳定的纤维结构，无法诱导PSP的形成。
图2（a）不同长度乙二醇连接的配体PE1Gal和PE2Gal；（b）两种配体的圆二色性光谱；（c，d）分子动力学模拟两种配体超分子聚合物的排列；（e，g）非牺牲型配体PE1Gal和与蛋白质SBA组装后的冷冻电镜图像；（f，h）牺牲型配体PE2Gal和与蛋白质SBA组装后的冷冻电镜图像。
研究表明，PSP的形成依赖于LSP和SBA蛋白之间的竞争。PE2Gal的松散聚集使其解离成与SBA结合的五聚体单元，形成具有一致内径~16nm的纳米管。该过程是可逆的，因为添加N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)会破坏PSP，从而导致LSP的重新形成。使用荧光和光散射技术的实验结果证实了竞争的动态性质。除此以外，研究人员使用了微流控技术和脂质体将配体以及蛋白质溶液封装其中，以模拟细胞内的限域空间。结果表明，PE2Gal/SBA系统能够有效地在这些限域空间内诱导蛋白质纳米管的生长，并导致脂质体的形态变化，而在PE1Gal的情况下，由于缺乏PSP的竞争性形成，脂质体保持了其球形结构。
图3（a）人工微管的电子密度三维重构图；（b）配体分子在人工微管中的排布；（c）配体超分子聚合物与人工微管的动态竞争；（d）限域空间内人工微管的制备；（e，f）人工微管诱导的脂质体变形。
为了探索配体设计，研究人员合成了其他四种具有不同疏水核心的额外配体（ZE1Gal、BE1Gal、TBE1Gal和TBE2Gal）。这些修饰影响了聚集趋势和诱导PSP的能力。例如：ZE1Gal和BE1Gal表现出弱聚集性，容易解离成单体，分别形成多态性和均质纳米管。TBE1Gal和TBE2Gal具有强聚集性，保持稳定并且不会诱导PSP。Cryo-EM和SAXS分析揭示了这些配体形成的纳米管的结构差异。ZE1Gal诱导的纳米管表现出多态性，而BE1Gal诱导的结构是均质的。这些发现强调了配体聚集状态在控制PSP结果中的重要性。
图4（a）具有不同疏水核心的配体衍生设计；（b）六种配体的不同聚集趋势及其和蛋白的组装行为；（c-f）蛋白纳米管的三维重构，分别显示其冷冻电镜图片的二维归类平均值，蛋白管重构电子云密度图的Z轴和侧面视图，配体分子在蛋白管中与电子密度图拟合。
研究还使用SAXS、荧光和等温滴定量热法(ITC)对配体诱导PSP形成的动力学和热力学特性进行了详细分析。结果表明，配体聚集的强度与PSP的形成速率呈负相关。弱聚集的配体ZE1Gal快速诱导PSP的形成由焓驱动。BE1Gal和PE2Gal配体诱导PSP形成的速度较慢，由熵驱动，该组装路径促进了蛋白管结构的调整。ITC数据则显示在PSP形成过程中存在焓熵补偿，即LSP的解离导致熵增加，导致了纳米蛋白管结构的均一化。
图5（a-c）三种配体诱导PSP形成的SAXS时间追踪谱图；（d）配体诱导蛋白管组装过程中荧光随时间变化曲线；（e）ITC测量拟合得到的组装体系热力学参数；（f）存在熵焓补偿的线性关系；（g）设计配体化学结构调节其超分子聚集态从而调节蛋白管组装途径和结构均一性的示意图。
通过牺牲型超分子聚合物的设计，该研究实现了蛋白质纳米管的均质性。通过设计分子结构，控制配体的聚集状态来调节竞争系统的结果，产生五种具有不同结构和蛋白质排列的蛋白质纳米管。竞争机制表明，解离的配体超分子聚合物贡献了蛋白微管形成过程中的熵变，从而调控了原本仅由焓控制的多态性的螺旋蛋白管结构。最重要的是，为了生成PSP而牺牲的LSP不仅显著改变了溶液的物理性质，还成功地诱导了脂质体的变形，这证明了该方法在模拟原始细胞中的潜在用途。这种竞争机制可能广泛应用于其他涉及蛋白质的超分子结构，帮助我们更深入地理解生物系统中的超分子竞争现象。这项研究通过模仿生命体系中的动态自我调控机制，在人工合成体系中再现了类似天然生物结构的自我组织与响应特性，为仿生功能材料设计提供了理论依据，并为智能医疗材料、生物器件以先进人工材料中的应用奠定了基础。