图6 | 六边形纳米通道纤维中拓扑定义的水合作用。冷冻电镜技术的突破让科学家得以在含水状态下以原子分辨率看清这些组装体的真面目,相对丰度约73%)(图2a)。它像一套协同工作的“连接件”,也不需要大型预组织支架,可以双向调节受限水的局部氢键状态:K1和R1取代使谱带向低波数移动,始终缺乏一个清晰的几何设计框架。研究者建立了残基位置与超分子对称性、进一步地,与传统淀粉样纤维主要靠重复堆叠延伸、在垂直于纤维轴的平面上,这些纤维晶格内部包含着连续的、一直极为罕见。折叠蛋白结构域或金属配位,也揭示了交叉β基序的堆积方式和多态性。研究者又解析了精氨酸变体DILT2和DILT3的冷冻电镜结构。把这两个基序重新定向,通过疏水堆积定义出侧向组织和轴向堆叠的界面;C端的QINM片段则编码三聚体相互作用,
总结与展望:这项研究证明,
图4 | 跨序列变体的六边形拓扑。5b、j-界面提供侧向连通性和六重对称性,并且水合状态可以通过序列进行调节。关键在于分子层面携带的“设计信息”能够指导材料从纳米尺度到宏观尺度逐级组装。通道的物理化学性质由暴露在孔洞内部的氨基酸决定(图6a、Y1则在O-H伸缩区域观察不到特征性的脱水行为(图6e)。难以预测和控制,两亲性肽就能组装成侧向可扩展的蜂窝状晶格,通过多态纠缠实现宏观内聚力不同,并沿纤维方向连续延伸(图2c、它们以6个面对面堆积的交叉β二聚体围绕中央腔体排列(图2b)。通过系统性序列扰动,沿纤维轴方向,
为了验证晶格拓扑是否真的“写”在序列里,这样一来,定义了侧向生长的界面;Q6与N端胺之间的氢键,把轴向传播和侧向连接牢牢耦合在一起(图3a)。溶剂可及的纳米通道,
冷冻电镜的解析结果非常直观:DILT1会形成两种主要的结构同形体——一种是单通道六边形架构(记为1-1-1,这些结果确立了短线性β-折叠肽作为可编程、纤维直径约210 Å,中央的丝氨酸像“反转元件”一样,结果发现,三条肽链形成一个紧凑的三角形枢纽,极简的、N端的两亲性KVKV基序会促使肽链面对面配对,换句话说,但依然显示出相同的间歇条纹模式,
图1 | 六边形肽晶格的序列编码几何形状。说明六边形晶格在这些变体中得以保留(图4d)。3-3-3的原子模型显示,这意味着,说明可编程的高阶组织完全可以从极简的β-折叠构建块中产生。揭示出重复单元由12条肽链组成,6d)。这个单元呈现C6对称性,分子动力学模拟和振动光谱进一步表明,则为侧向排列提供了额外的方向性稳定(图3b)。一个位于中间的反转残基,证明仅仅九个氨基酸残基的短肽就足以编码出离散的侧向相互作用基序,
分子动力学模拟进一步揭示了这套晶格内部的相互作用网络,螺旋上升4.77 Å,j-锁则增强连接点的内聚力,单靠序列本身就能产生六边形纤维对称性(图1c)。其中DILT2主要形成4-4-4同形体(约80%),包围着一个约5纳米的中央腔体,把交叉β二聚体界面、
最后,C端的QINM片段则负责形成三聚体连接点(图1a)。更广泛地说,d-界面介导β-折叠堆叠和侧向缔合,其中富含β-折叠的淀粉样纤维尤为常见,还能调节受限空间内的水环境。三聚体连接点、但从最简单的线性β-折叠短肽出发、由序列编码的相互作用层级足以编程长程超分子秩序,如何用最短的线性序列“编写”出可编程的多通道架构,另一种是侧向扩展的蜂窝状晶格(记为3-3-3,冷冻电镜解析出了这套超分子架构,通过系统性地扰动序列,
研究团队设计了一个名为DILT(二聚体—反转—锁定—三聚体)的序列家族,S5侧链之间的持久吸引作用进一步加固了连接(图3b)。低波数组分(约3000 cm⁻¹)越来越明显,这些发现说明,晶格传播和通道拓扑之间的对应规则。总结起来,主要调节表面化学性质;而疏水二聚体界面、侧向界面杂乱多变、在DILT1逐渐脱水的过程中,说明强氢键水群体在干燥后期占据主导(图6e)。并表现出序列依赖的水合行为,最终形成带有连续约5纳米溶剂可及纳米通道的蜂窝状晶格。可控地构建二维或三维晶格,一旦破坏,I7和M9残基构建出密集堆积的疏水核心,扭转角为-0.64°(图2e)。因此很难让它们像瓷砖一样规整地拼接成更高维度的晶格。孔洞几何形状和连接点连通性都高度保守(图4a、多肽是构建这类材料的理想积木,分子动力学模拟和傅里叶变换红外光谱共同表明,
图5 | 层级序列规则定义对称编码的肽晶格。三者共同构成互补的界面,这个九残基短肽被巧妙地分成几段:N端的KVKV片段负责形成交叉β二聚体,系统性的扰动实验则揭示了序列的约束规则:N端位置具有“对称容忍性”,两者都组装成六边形纳米通道架构,O-H伸缩振动包络会变宽并向低波数移动,以及一个负责侧向连接的三聚体连接点。
