一、背景

生物系统中的材料是由少数基本构建块（如氨基酸）通过共价和非共价相互作用自组织形成的。这些材料的复杂性和功能性远超实验室设计的仿生或超分子结构。当前设计的仿生材料在组装速度、环境响应性和多功能性方面仍远不及自然系统。例如，自然系统可以瞬时响应环境变化，而实验室设计的材料通常响应缓慢。本文提出，利用20种遗传编码氨基酸的全部非共价相互作用空间，可以探索超越进化所利用的分子设计空间。本文通过考虑肽序列和环境条件的综合影响，系统地探讨自组装肽的底层设计、发现和演化。强调“ 序列背景（sequence context）”的重要性，即肽序列和环境条件如何共同影响自组装结果。

肽通过主链和侧链的协同作用自组装，形成从有序到无序的超分子结构。20种氨基酸的侧链具有不同的电荷、极性和构象灵活性，这些特性决定了它们在自组装中的作用。每种氨基酸的侧链可以参与多种超分子相互作用，包括氢键、π-π相互作用、偶极-偶极相互作用、疏水相互作用等。文章提出了一种六面板图例/条形码系统，用于描述每种氨基酸在水中的相互作用模式。例如，芳香族氨基酸（如Y、F、W）可以通过π-π相互作用形成有序结构，而极性氨基酸（如Q、N、T）则倾向于形成无序结构。氨基酸的侧链相互作用不仅取决于其化学性质，还受到序列背景 和环境条件的影响。例如，疏水残基（如W、Y、F）通常出现在有序结构中，而极性氨基酸（如A、R、G）则倾向于形成无序结构。然而，这种分类并非绝对，序列背景 可以显著改变氨基酸的行为。

肽的自组装状态可以通过调整序列和环境条件来调控，形成从完全有序到完全无序的多种结构。芳香族氨基酸的排列可以增强或削弱结构的有序性。例如，芳香族氨基酸与带电氨基酸的组合可以形成无序结构，而疏水氨基酸的聚集则倾向于形成有序结构。文章通过实验展示了不同序列的三肽（如XDX、XXD）如何通过侧链的构象排列影响自组装行为。例如，XDX序列（X为芳香族氨基酸）形成两亲性构象，保持高溶解性，而XXD序列则形成高度有序的纳米纤维。肽的自组装行为高度依赖于序列背景，即使是微小的序列变化也可能导致显著的结构和功能差异。设计具有特定功能的肽材料需要综合考虑侧链的相互作用模式、序列排列和环境条件。

四、环境依赖的组装 

肽的自组装行为受环境条件（如pH、离子强度、温度、溶剂等）的显著影响。例如，高盐浓度可以通过屏蔽电荷来促进非电静力相互作用，从而影响自组装路径。pH值的变化可以改变带电氨基酸的质子化状态，从而调节氢键和疏水相互作用的强度。文章通过实验展示了不同离子类型对肽自组装的影响。例如，硫酸根离子可以促进疏水相互作用，而溴离子则倾向于与肽相互作用，从而改变自组装行为。温度的变化也可以显著影响肽的溶解性。疏水相互作用主导的肽在高温下倾向于聚集，而极性肽则在高温下溶解性增加。环境条件的微小变化可以显著影响肽的自组装路径，从而实现从有序到无序的转变。这种环境依赖性为设计刺激响应性材料提供了机会，例如通过pH、温度或离子强度的变化来调控肽的自组装行为。

五、序列的原位编辑

动态组合库允许肽序列在环境中通过可逆键的形成和断裂进行编辑，从而选择最稳定的结构。例如，通过二硫键交换形成的环状寡聚体可以展示出不同的尺寸分布，这些分布由侧链相互作用决定。文章展示了如何通过动态组合库实现肽序列的自主选择。例如，在存在内肽酶催化剂的情况下，肽序列可以通过自组装形成纳米结构。通过调整环境条件（如共溶剂和离子），可以改变生成序列的分布，从而优化肽的自组装行为。动态组合库为探索复杂的肽自组装行为提供了新的工具，可以加速新材料的发现。这种方法结合了实验和计算，可以实现对肽序列和结构的精确调控。

图1 生物学的通用汇编代码。a、超分子肽相互作用依赖于氨基酸侧链的分子内和分子间序列背景(R1–3)。序列背景由构象灵活性和环境条件决定，如溶剂、pH、温度和盐离子。b，20个基因编码的氨基酸。颜色代码代表侧链的主要化学性质:极性(绿色)、碱性(蓝色)、酸性(红色)、芳香族(紫色)和脂肪族(橙色)；特殊的(灰色)侧链是那些其主要性质不被这些类别所捕获的侧链。我们承认，将氨基酸过度简化成不同的类别无法捕捉它们独特的化学性质，这就是为什么我们用颜色阴影和六盒代码来补充这种分类，以分别说明化学性质和相互作用模式。颜色阴影表示每个氨基酸都有独特的化学特性，较深或较浅的颜色分别表示较强或较弱的主要化学性质。方框代码表示每个氨基酸侧链能够在水中形成哪些相互作用。

图2 |序列决定了肽结构的有序程度。a，在(I)可溶的，(ii)分散的，(iii)无序的液体和(iv)有序的固体结构中，肽结构中主链和侧链分子相互作用之间平衡的表示。可溶性肽是完全水合的，而肽的分子分散体只是部分水合的。与通过定向肽-肽相互作用稳定的有序结构相比，在液-液相分离中形成无序结构的肽显示出与水的广泛的多方向分子间相互作用网络。b，侧链柔性可以通过氨基酸排列来控制，示例性地显示了由D、F和Y组成的三肽异构体。当存在相邻的芳香族氨基酸(Y，F)时，侧链柔性降低，因为二面角被锁定为反(DXX)或顺(XXD)构象，这促进了有效的晶体堆积。比例尺，100纳米。c，侧链的灵活性可以通过氨基酸突变来控制，例如肽Ac-GLYGGYGX-NH2。单个氨基酸突变影响结构顺序和物理性质，从可溶性肽(X = K，A，S，G，E，P)到无序的液体组装(W)，松散的原纤维网络(F，V，I)和固体密集结构(L)。值得注意的是，这些氨基酸通过该特定肽序列中优选的分子间相互作用促进了上述结构排序，但是优选相互作用的权重可以在不同的序列中改变。因此，氨基酸不能被普遍地归入某个促进有序或促进无序的类别，而是需要在个体的基础上考虑。

图3 |有序系统。肽分子的侧链相互作用影响晶体结构的拓扑结构。用A取代GG中的一个甘氨酸(生成GA或AG ),由于甲基的空间需求，导致分子弯曲，形成锯齿形包装。用A (AA)替换两个G导致形成填充有甲基的封闭疏水柱。当引入非极性脂肪族氨基酸I或V时，这些色谱柱转化为疏水孔，如在AV、VA、AI和IA中观察到的。VV保持VA或AV的结构，而II保持AA结构。相反，非极性脂肪族氨基酸L会彻底破坏堆积:LA和AL具有层状结构，LL形成亲水孔。用芳族F (LF、FL和FF)替换脂肪族氨基酸L不会改变包装。然而，引入支链脂肪族氨基酸(I或V)会破坏堆积，形成层状2D氢键结构，如FV、VF、FI和IF所示。由二肽GA、GS和GT作为配体组成的金属有机框架(MOFs)在可逆的溶剂包含/排除条件下表现出不同的适应性。侧链的适应性芳族相互作用促进了HYF中水孔的可逆膨胀和收缩。RH，相对湿度。

图4 |无序系统。a，固有无序蛋白质(IDPs)的低复杂性结构域中氨基酸含量的百分比。b，粘着物和间隔物类型与氨基酸侧链相互作用的示意图，根据对方向性的总体贡献分类。形成液-液相分离(LLPS)的肽主要通过多向和水相互作用来稳定:(I)离子相互作用，如D和R之间的相互作用，以及(ii)SP2–π、阳离子–π和氢键相互作用，如Y和R之间的相互作用，(iii)阳离子–π相互作用对R比对K更强，这是由于R的胍基中离域电子的水相互作用不太有利。(iv)相互作用类型数量的增加增强了总的缔合，如W–W与L–L相互作用相比所示。c，热图(左)显示了极简二肽中氨基酸对的LLPS倾向。与IDPs中的氨基酸类型相反，疏水性和带电荷的氨基酸在倾向于LLPS的二肽中更普遍。基于多价相互作用的LLPS形成肽的示意图(右)。所选的例子突出显示了QW，具有最高计算LLPS趋势的二肽。LSPS，液-固相分离。

图5 |超分子分散体。a，短链肽分子分散的示意图。具有部分水合序列链的折叠蛋白质可以与类似部分水合但由几个肽链集合组成的分子分散体进行比较。将完全水合的可溶性肽与完全水合的未折叠蛋白链进行比较。b，形成纤维的YFD(左)和形成分散体的YDF(右)的比较。YFD由于其锁定的syn构象而参与定向侧链相互作用。相比之下，YDF由于其较高的侧链柔性和自堆叠构象而参与多方向的分子间相互作用，并形成宏观透明的溶液。每个三肽的显微照片显示了由侧链的各自柔性产生的形态，提供了通过红外(IR)光谱观察到的分子间水平的有序和无序。比例尺，100纳米。形成固体纳米球的FAA和形成分散体的AFA的比较。在分子动力学模拟中，FAA的长程有序形态与AFA的无序聚集体可以用F–F的扭转角来解释(左)。FAA中的分子间F侧链平行排列，而在AFA中它们垂直排列。这种氨基酸排列上的细微差异，导致了水的相互作用，也就是溶解性的巨大差异(右图)。

图6 |依赖于环境的汇编。影响肽组装从有序到无序的因素。(I)带电肽中高盐离子浓度的电荷屏蔽可促进相分离，如N端和C端带电肽所示。(ii)在升高的pH下，侧链去质子化后，对于含K和含R的肽来说，从无序到有序结构的自组装可能是有利的。(iii)不同的盐离子具有不同的亲液性(水排序)，这影响了肽自组装的顺序。b–f，侧链相互作用取决于环境条件，由最受影响的相互作用模式和氨基酸说明。灰度六框代码表示在所示条件下哪些侧链相互作用受影响最大。b、切换自组装的溶剂，与水基体系相比，几乎改变了所有的相互作用模式。最显著的变化是疏水效应和氢键相互作用。由于电荷屏蔽，静电、阳离子–π或阴离子–π相互作用随着离子浓度的增加而减少。静电相互作用高度依赖于pH值。例如，带正电荷的胺残基带有相同的电荷，是排斥的。然而，如果pH值超过它们的pKa值，它们就会去质子化，并可以通过氢键相互作用。也就是说，由于熵项(水的释放)的增加，疏水效应在高温下占主导地位。f，在亲水序列环境中，与水的氢键相互作用占主导地位，而在疏水环境中，水被排除在外，分子间氢键相互作用变得有利。

图7 |通过动态组合文库的序列进化。a, 反应平衡以及由此产生的肽序列受分子间相互作用的控制，分子间相互作用随环境条件而变化，如温度、pH或仅与动态交换网络的某些肽序列结合的客体分子的存在。基于芳香二硫醇的动态组合库。肽侧链决定了孤立大环、折叠体或刚性β-折叠组装大环的形成。c，肽的序列进化是通过动态和可逆的肽键改组实现的，如果新形成的可溶性肽由于结构形成而从反应中除去，其平衡就会改变。结构形成可以由与葡萄糖等分子结合的协同侧链相互作用驱动，将平衡转移到动力学产物，而主链相互作用有利于肽的形成，这些肽组装成热力学有利的状态。

参考文献：doi.org/10.1038/s41578-025-00782-6