韩伟课题组和李子刚课题组在多肽自组装机制分子动力学研究领域取得重要进展

作者:    时间:2019-03-20 09:42:46    点击率:

       近日韩伟课题组与李子刚课题组合作共同在《美国化学学会纳米》科学杂志(ACS Nano,IF:13.7 )上在线发表题为“Conformation Dependence of Diphenylalanine Self-Assembly Structures and Dynamics:Insights from Hybrid-Resolution Simulations”的研究论文(DOI: 10.1021/acsnano.8b09741),针对苯丙胺酸二肽(FF)分子的自组装过程,深入阐述了多肽构象对自组装形貌和动力学的影响,为新型功能材料的设计提供了新颖的思路。

构象变化对FF自组装机制的影响示意图

       多肽自组装材料近年来因其简单易得,良好的生物相容性和生物可降解引起了广泛的关注,逐渐在生物材料、环境材料、光电材料、医学材料等领域大放异彩。如何合理地的设计多肽的分子结构从而获得特定的自组装纳米结构是多肽自组装材料研究的核心科学问题。多肽自组装材料的分子设计很大程度上依赖于对多肽分子复杂多变的构象特征与多肽自组装行为之间关系的深入理解。运用现有的实验技术实现对多肽自组装过程中构象细节的表征颇具挑战。计算机模拟是一种与实验测量互为补充的表征技术,可以提供实验上难以捕捉到的分子细节。然而,由于多肽自组装体系过于复杂,运用计算模拟观测这个过程的结构细节还十分困难。为了克服这些计算上的技术挑战,研究团队发展了一套高效的多尺度多肽模型,并运用该模型对数千个苯丙氨酸二肽(FF)分子的自组装过程进行了大量的计算模拟,首次观测到FF自组装过程中构象变化的分子细节,并深入地探讨了多肽构象在这个过程中所起的作用。

       研究团队通过计算模拟得到多种形貌的双层自组装结构,准确预测了如临界自组装浓度和二级结构含量等重要性质,这些模拟结果与实验观测高度一致。在此基础上他们通过对模拟结果的深入分析,发现不同自组装纳米结构和多肽分子构象之间存在着依赖性。纳米结构的形貌与多肽分子侧链的相对位置密切相关,而纳米结构内部分子的堆积方式则与多肽主链的氢键取向存在关联。游离状态下的FF分子与自组装纳米结构中的FF分子构象有着明显的区别。在自组装过程中,随着高度有序纳米结构的形成,自组装结构中一种类似FF晶体构象的比例大幅上升。

       最后,研究团队还探索了构象变化对自组装的影响。出乎意料的是,一些与自组装纳米结构并不兼容的构象仍然可以在自组装过程中作为中间体瞬时的存在,而且这一构象变化是促进整个自组装过程不可或缺的关键环节。

       总的来说,该研究所揭示的机制细节大大加深了人们对多肽自组装过程机制的理解,而该研究所开发的计算模拟方法也将会成为多肽自组装材料设计研究中一种重要的研究手段,具有广阔的应用前景。

       以上研究由韩伟老师和李子刚老师共同指导,北京大学五年级博士研究生熊琴思和江意翔(共同第一作者)以及课题组其他成员合作完成。以上工作得到了国家自然科学基金,深圳市科技创新基金以及深圳市孔雀计划项目的资助。

论文链接:https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.8b09741

文字:熊琴思