液-液相分離：超分子聚合物成核-生長(zhǎng)的啟動(dòng)子

張希

清華大學(xué)化學(xué)系，北京 100084

液-液相分離介導(dǎo)的超分子聚合物成核-生長(zhǎng)。

超分子聚合物普遍存在于自然界，尤其是生物體中，如細(xì)胞骨架的重要組成部分微管和蛋白質(zhì)細(xì)絲等1-3。生物分子從溶液狀態(tài)到超分子聚合物的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，不僅發(fā)揮著生物體的某些特定功能，也與一些疾病的發(fā)生密切相關(guān)4。因此對(duì)超分子聚合物形成機(jī)制的研究，不僅有助于加深對(duì)生物體結(jié)構(gòu)與功能的認(rèn)知，促進(jìn)相關(guān)疾病新型治療策略的開(kāi)發(fā)，也為復(fù)雜仿生體系的設(shè)計(jì)和構(gòu)建提供了新思路。

一般來(lái)說(shuō)，超分子聚合物的形成包含成核和生長(zhǎng)兩個(gè)階段。作為溶液中新相形成的初始孕育階段，成核對(duì)超分子聚合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)具有至關(guān)重要的作用。盡管已有相關(guān)的研究表明，蛋白質(zhì)、無(wú)機(jī)納米晶和膠體自組裝的成核可以通過(guò)經(jīng)典的單步成核或者由亞穩(wěn)相參與的兩步成核來(lái)實(shí)現(xiàn)5-7。然而，對(duì)生物小分子的超分子成核機(jī)制及其在后續(xù)生長(zhǎng)中作用的研究仍是一大挑戰(zhàn)。這是由于生物小分子的柔性構(gòu)象和遠(yuǎn)程弱相互作用使其在快速成核過(guò)程中產(chǎn)生大量多分散的瞬態(tài)中間體，極大地限制了對(duì)成核過(guò)程的追蹤監(jiān)測(cè)8。因此，選取合適的組裝基元，通過(guò)對(duì)其分子間相互作用和成核動(dòng)力學(xué)的調(diào)控，有望揭示復(fù)雜體系中超分子聚合物的成核-生長(zhǎng)機(jī)制。

近日，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所閆學(xué)海研究員與劍橋大學(xué)Tuomas P.J.Knowles教授合作，選取雙親性的寡肽和氨基酸為研究模型，通過(guò)引入配位作用或調(diào)節(jié)溶劑組成來(lái)增強(qiáng)組裝基元間的相互作用，以提高成核中間體的穩(wěn)定性，并結(jié)合冷凍電鏡和生物分子的自體熒光成像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超分子納米纖維形成過(guò)程的有效追蹤。研究發(fā)現(xiàn)，液-液相分離是超分子納米纖維成核的啟動(dòng)子，所形成的富含溶質(zhì)液滴是分子聚集成核的“小室”9，表明超分子成核是一個(gè)由亞穩(wěn)態(tài)液滴參與的多步成核過(guò)程。研究者對(duì)該過(guò)程進(jìn)行了原位核磁和熱力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)疏水作用主導(dǎo)的液滴形成是一個(gè)熵驅(qū)動(dòng)的過(guò)程；而氫鍵作用主導(dǎo)的液滴到納米纖維的轉(zhuǎn)變是一個(gè)焓驅(qū)動(dòng)的過(guò)程。與經(jīng)典成核相比，相分離液滴的出現(xiàn)顯著降低了超分子納米纖維的成核勢(shì)壘。

上述研究工作近期在AngewandteChemie InternationalEdition上在線發(fā)表9。該工作揭示了超分子納米纖維形成過(guò)程中液-液相分離介導(dǎo)的多步成核新機(jī)制，回答了“成核點(diǎn)從何而來(lái)”這一關(guān)鍵問(wèn)題，通過(guò)對(duì)相分離液滴的控制有望實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的超分子自組裝。值得指出的是，液-液相分離作為一種生物分子的組織模式對(duì)多種生理功能的發(fā)揮具有重要的調(diào)控作用10，因此，該工作將為我們更深入理解生命起源奧秘和探索相關(guān)疾病治療策略提供了新的啟示。