張希

清華大學化學系，北京 100084

液-液相分離介導的超分子聚合物成核-生長。

超分子聚合物普遍存在于自然界，尤其是生物體中，如細胞骨架的重要組成部分微管和蛋白質細絲等1-3。生物分子從溶液狀態(tài)到超分子聚合物的結構轉變，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4。因此對超分子聚合物形成機制的研究，不僅有助于加深對生物體結構與功能的認知，促進相關疾病新型治療策略的開發(fā)，也為復雜仿生體系的設計和構建提供了新思路。

一般來說，超分子聚合物的形成包含成核和生長兩個階段。作為溶液中新相形成的初始孕育階段，成核對超分子聚合物的結構和性質具有至關重要的作用。盡管已有相關的研究表明，蛋白質、無機納米晶和膠體自組裝的成核可以通過經(jīng)典的單步成核或者由亞穩(wěn)相參與的兩步成核來實現(xiàn)5-7。然而，對生物小分子的超分子成核機制及其在后續(xù)生長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象和遠程弱相互作用使其在快速成核過程中產(chǎn)生大量多分散的瞬態(tài)中間體，極大地限制了對成核過程的追蹤監(jiān)測8。因此，選取合適的組裝基元，通過對其分子間相互作用和成核動力學的調控，有望揭示復雜體系中超分子聚合物的成核-生長機制。

近日，中國科學院過程工程研究所閆學海研究員與劍橋大學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，通過引入配位作用或調節(jié)溶劑組成來增強組裝基元間的相互作用，以提高成核中間體的穩(wěn)定性，并結合冷凍電鏡和生物分子的自體熒光成像，實現(xiàn)了對超分子納米纖維形成過程的有效追蹤。研究發(fā)現(xiàn)，液-液相分離是超分子納米纖維成核的啟動子，所形成的富含溶質液滴是分子聚集成核的“小室”9，表明超分子成核是一個由亞穩(wěn)態(tài)液滴參與的多步成核過程。研究者對該過程進行了原位核磁和熱力學研究，發(fā)現(xiàn)疏水作用主導的液滴形成是一個熵驅動的過程；而氫鍵作用主導的液滴到納米纖維的轉變是一個焓驅動的過程。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程中液-液相分離介導的多步成核新機制，回答了“成核點從何而來”這一關鍵問題，通過對相分離液滴的控制有望實現(xiàn)更精準的超分子自組裝。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多種生理功能的發(fā)揮具有重要的調控作用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疾病治療策略提供了新的啟示。