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大家好，今天给大家介绍一篇近期发表于JACS上的文章，题为 by 。本文的通讯作者是慕尼黑工业大学的Job 教授。
构建耗散自组装系统是为了构建具有类似生命系统中动态行为的组装体。GTP水解能驱动微管自组装、ATP转换能驱动形成肌动蛋白束，受此启发，研究者们发展了一系列化学反应循环，驱动小分子或纳米颗粒的耗散自组装。在这些化学反应循环中，通过活化反应，前体分子在高能试剂的作用下转化为可以自组装的产物。同时，失活反应会自发地将产物再转化为原始前体分子。这里的高能试剂被称为“化学燃料”。因为产物的活化与灭活作用是动态的化学燃料，所以其自组装与解散行为也是动态的。
尽管耗散自组装领域的进展十分迅速，合理的前体分子设计却仍然是一个巨大的挑战。为此，本文作者提出了两种通过分子设计来控制“燃料”驱动多肽自组装的方法：（1）调节多肽间的吸引相互作用，将“不可自组装”、“化学燃料驱动的耗散自组装”转换为“静电自组装”；（2）调节多肽间的排斥相互作用，达到以上类似的自组装行为切换。
本文利用了一个化学反应循环瞬时活化多肽来实现自组装（图 1A）。前体分子与一个高能分子（即化学燃料）反应得到产物（活化反应），产物经水解失活重新得到前体分子（失活反应）。天冬氨酸衍生物在缩合剂EDC的作用下生成相应的酸酐产物，可以发生自组装，但是水解后重新得到的天冬氨酸衍生物却不可以。因此，该衍生物的自组装与解散行为是由酸酐的形成与水解来调节的。
本文的前体分子设计策略是减少天冬氨酸的羧酸根负电荷来诱导产物自组装（图 1B）。两个负电性的羧酸根在EDC的活化作用下缩合成电中性的酸酐产物，负电荷的减少可以调节产物的自组装行为。自组装行为可分为以下三类：①加入燃料，无自组装发生（图 1C）；②加入燃料，发生瞬时自组装（即耗散自组装，图 1D）；③不加燃料，前体就能发生自组装（图 1E）。
图1.A.化学反应循环 B.前体分子与产物结构 C.无自组装 D.耗散自组装 E.前体自组装
作者接着研究了多肽间的吸引相互作用对自组装行为的影响，设计了图 2A中的三个前体分子。引入天冬氨酸（D）结构是为了通过化学反应循环来调节静电排斥程度；引入苯丙氨酸（F）和异亮氨酸（I）结构是为了利用其π-轨道重叠、氢键作用和疏水相互作用来促进纤维形成。
图2.A.前体分子设计 B.溶液图像 D.冷冻透射电镜图
在1D中加入25 mM的EDC化学燃料，发现溶液仍透明，浊度无变化，保持液体行为，且无明显组装体生成，说明1D经燃料反应后不发生自组装。而在2D中加入25 mM的EDC，快速形成了浑浊的水凝胶，具有一定粘度，40 min后，溶液重新变得透明，粘度也恢复。Cryo-TEM检测发现在加入EDC之前，没有明显组装体，加入EDC后5 min，出现了短纤维。（图 2）对于3D而言，则不加EDC就可以组装为弹性水凝胶，Cryo-TEM也显示该多肽自组装成了长纤维。依据以上实验结果可知，多肽间的吸引相互作用的程度越高，越不需要“燃料”即可自组装；吸引相互作用程度越低，则即使有“燃料”驱动也不会发生自组装；而多肽间的吸引相互作用经过优化后，只有在“燃料”驱动后才会发生自组装。
接下来，作者从吸引相互作用研究转为排斥相互作用研究，并重新设计了前体分子（图 3）。向其加入盐或酸，改变排斥作用程度；在N-端引入第二个天冬氨酸增加负电荷排斥，并进行与吸引相互作用研究中类似的检测。
图3.排斥作用研究中的前体分子设计
最后，作者将前体分子经“燃料”驱动的结果总结为两张相图，并模拟了其能量分布。
图4.相图与能量分布
综上，本文利用化学燃料反应循环驱动了多肽不同的自组装，该体系具有三种组装可能性：燃料驱动也不发生自组装、燃料驱动耗散自组装、无需燃料即可自组装，通过改变多肽分子设计和环境条件，可实现三种行为的切换，为发展新型的活性材料（ ）奠定了坚实的基础。
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