科学家从毛毛虫身上学习如何制造用于药物递送的自组装胶囊

自发组织形成复杂结构的自组装分子在自然界中很常见。例如，昆虫坚硬的外层，即角质层，富含可以自我组装的蛋白质

自组装是一种具有成本效益、环境可持续和快速制造纳米结构的方法，在从治疗到自复制机器的各个行业都有重要应用

利用亚洲玉米螟蛾毛虫（Ostriia furnacalis）角质层蛋白质的自组装能力，新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的科学家开发了可用于递送药物和信使核糖核酸（信使核糖核酸）的纳米胶囊。mRNA是一种指示细胞产生蛋白质的分子，已被用于新冠肺炎疫苗

亚洲玉米螟在从中国到澳大利亚的地区发现，是一种破坏玉米作物的农业害虫，由毛虫造成破坏。毛毛虫头部的角质层保护它，赋予它独特的机械性能

研究人员分析了亚洲玉米螟毛虫头部角质层中的蛋白质，以确定被称为肽的氨基酸链，这些氨基酸链可以独立组装成有序结构

他们筛选蛋白质中含有重复三次或多次的相同氨基酸序列的肽，每个序列至少由五个氨基酸组成。由于重复氨基酸之间的相互作用，具有这种性质的肽可能会进行自组装

科学家们通过分析确定了三种可以自我组装形成中空纳米胶囊的肽

这项研究由南大材料科学与工程学院的俞静副教授、前南大杰出大学教授高华建（现为清华大学兴化大学教授）、大连理工大学的刘天教授和中国农业科学院的杨青教授领导

根据2024年4月发表在《自然·纳米技术》杂志上的研究结果，研究人员正在为他们的创新申请专利。

与传统的药物递送方法相比，纳米胶囊无毒，可以有效地递送不同性质的各种药物

自组装过程是由化学浓度的差异驱动的，这导致肽像乐高积木一样聚集在一起并形成稳定的结构

科学家们创造了毛毛虫中发现的天然自组装肽的合成版本，并将每种肽溶解在水中。然后，他们将有机溶剂丙酮加入肽溶液中，开始自组装

研究人员发现肽的自组装分为两个阶段。首先，当加入丙酮时，肽溶液立即形成液滴。接下来，丙酮扩散到液滴中，水从液滴中流出，在液滴的界面产生浓度梯度，触发肽组装成称为β片的片状结构，最终形成球形中空纳米胶囊。整个过程在初始混合的10分钟内进行

科学家们还可以通过调整肽与异佛尔酮二异氰酸酯的比例来微调纳米胶囊的尺寸。这种化合物将肽连接在一起以稳定纳米胶囊

余副教授说：“据我们所知，这是第一次在没有模板的情况下制造肽纳米胶囊，为可定制的药物递送系统铺平了道路。”

“我们的肽纳米胶囊为各种潜在的生物医学应用打开了大门，如药物递送和基因治疗。”

一种多功能药物递送系统

研究人员证明，纳米胶囊可用于捕获和递送化疗药物和抗体等“货物”。通过修饰肽链，他们还可以使用纳米胶囊递送信使核糖核酸。

含有药物和信使核糖核酸的纳米胶囊无毒，并被多种细胞成功吸收

“通过了解自组装肽在自然界中的行为，我们可以设计它们来提供多种药物和治疗化合物，”南大材料科学与工程学院研究员、该研究的第一作者李浩鹏博士说

“我们不仅揭开了自组装的秘密，还将它们转化为现实世界中有益于我们生活的解决方案，”南大机械与航空航天工程学院研究员、该研究的第一作者之一钱旭亮博士说

下一步，研究人员将探索使用机器学习等人工智能技术自动识别其他天然自组装肽