北京大學韓偉課題組和李子剛課題組結合計算與實驗手段，採用手性側鏈裝訂肽合成技術，並運用多尺度計算模擬方法，實現了針對由短肽形成的超螺旋奈米自組裝結構的從頭設計，並進一步在原子層面上理解了該結構形成的機制。此項研究以“Molecular Design of Stapled Pentapeptides as Building Blocks of Self-Assembled Coiled-Coil-Like Fibers”為題，在Science Advances線上發表，DOI，連結 ：doi: 10.1126/sciadv.abd0492。

短肽分子具有良好的生物相容性，且易於合成及修飾，因此已經成為製備自組裝奈米結構的一類重要的構建單元。儘管這類自組裝結構表現出獨特的物理和化學特性，但由於短肽構象的自由度較高，它們往往缺乏特定氨基酸精確的空間排列。透過化學修飾的構象約束為這個問題提供了有效的解決方案。受到天然蛋白質中存在的一類特殊螺旋自組裝結構的啟發，科學家們致力於探索如何透過設計短肽來構建由螺旋肽形成的超螺旋奈米纖維結構。迄今為止所採用的方法主要是引入使螺旋構象穩定的非編碼氨基酸，但這類方法通常會改變多肽主鏈的化學結構，導致多肽形成的螺旋結構不規則，這使得螺旋肽自組裝結構設計和機制理解變得十分困難。所以，基於結構和機制的螺旋多肽自組裝的理性設計尚付闕如。

除了主鏈修飾外，設計合適的側鏈連結也是增加多肽螺旋度的重要策略。李子剛課題組在之前的研究中發現在多肽裝訂側鏈精準引入手性中心，當手性中心是R型時，可以促使最短包含五個氨基酸的短肽形成穩定且結構標準的螺旋（Chirality Induced Helical Peptide, CIH多肽，圖1A）【Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 8013】，之後他們發現在合適的條件下，這種螺旋多肽可以自組裝形成奈米結構【Sci. Adv. 2018;4: eaar5907；CCS Chem. 2020, 2, 42】。這種裝訂肽策略在超螺旋結構設計中展現出潛在的應用價值。然而，目前對裝訂肽自組裝機理認知的缺乏，如何透過合理設計調控這類裝訂肽的自組裝行為仍然極具挑戰。為此，韓偉課題組採用了獨立開發的多尺度計算模型（hybrid-resolution model）對上述裝訂肽的自組裝行為開展了計算模擬研究【J Chem Theory Comput 2012，8，4413】。該模型不僅可以用於多肽摺疊和聚集機制的研究，最近還得到進一步拓展，並被用來闡明超短肽形成多種奈米結構的機理【J Chem Theory Comput 2017，13，5731；ACS Nano 2019，13，4455】。

圖1：Coiled coil結構規則及CIH五肽的設計。

研究者們首先按照只含有五個殘基裝訂肽這個模版對超螺旋結構規則進行了調整（圖1），並根據該模版構建了裝訂肽文庫（表1），然後使用多尺度計算方法對該文庫進行了篩選。結果表明，所使用的計算模型可以較準確地評估給定五肽形成螺旋構象的傾向以及其組裝成奈米纖維的能力，並可有效預測其組裝行為。這些資訊不但輔助實驗準確鎖定可以高效自組裝的裝訂肽，並且與多種實驗表徵手段互補，促進了研究者們對裝訂肽自組裝結構細節的理解，從而讓他們能夠更加合理地對多肽進行設計改造，並且根據設計結果的反饋進一步改良設計。透過這種策略，研究者們首次從頭設計了螺旋度可預測，可調控的CIH五肽併成功預測其纖維自組裝行為。

特別值得指出的是CIH五肽纖維形成能力對化學取代細節極為敏感。當研究者改變位於R4位置的苯丙基酸殘基，將其取代為苯環基團（Ph）和主鏈間的C原子個數不同的苯丙氨酸類似物時，多肽的螺旋度隨之受到顯著的影響，而其自組裝行為也發生改變。進一步的計算模擬和實驗表明，單個亞甲基的微小差異對肽的組裝能力的巨大影響歸因於CIH多肽的螺旋度變化。Phe具有最短的單個亞甲基，其Ph基團對多肽螺旋骨架造成位阻，嚴重降低了多肽的螺旋度；而使用多一個亞甲基的Hpa取代基可降低這種位阻，提高螺旋度；當使用更多一個亞甲基的App時，其足夠的長度避免了Ph與CIH多肽螺旋骨架的位阻並和側鏈之間形成良好的相互作用，從而進一步穩定了CIH多肽的螺旋構象。此外，較長的連結基團也使得Ph基團具有足夠多的自由度，從而能夠參與分子間的芳香環相互作用；與此相反，如果Ph過分靠近多肽主鏈，由於空間位阻的關係，其形成分子間芳環主要的能力則被大大削弱。此外，研究者們還研究了特定的疏水、氫鍵相互作用對纖維形成的重要性。綜上所述，以上發現不但為超螺旋自組裝多肽設計開闢了一條新途徑，而且在理解超短螺旋多肽的自組裝機制上也具有重要意義（圖2）。

圖2：實驗整體設計及核心表徵。

此研究由韓偉教授課題組和李子剛教授課題組合作完成，北京大學深圳研究生院博士研究生江意翔、張婉和楊發燈為共同第一作者；蔡翔、萬川和劉建博等也做出了重要貢獻。以上工作得到了國家科技部、國家自然科學基金、廣東自然科學基金、深圳市科技創新委員會及中國博後科學基金的支援。

論文連結

https://advances.sciencemag.org/content/7/4/eabd0492