通过几何控制实现大型金属-肽类衣壳纳米结构的自组装

控制分子链的缠绕拓扑和结构是分子工程中的一个关键挑战，尤其是在尝试构建模仿生物系统的大型纳米结构时。自然界中存在的实例，如病毒衣壳和货物蛋白，证明了此类结构的巨大潜力。然而，迄今为止，构建具有精确几何控制的大型空心纳米结构的方法一直难以实现。

在近期的一项研究中，日本东京科学研究所的泽田知久副教授领导的研究团队成功构建了一种具有正十二面体几何拓扑的分子球壳结构。这项开创性工作于2025年5月1日在线发表在期刊Chem上，描述了研究人员如何通过肽链与金属离子的缠绕，创造出这种外径达6.3纳米的大型结构。

泽田解释道："这种高度复杂结构的合成基于几何考虑和预测，从而提出了一个新概念：化学结构的几何控制。"该团队的方法结合了两种不同的数学框架——即纽结理论和图论——来预测并最终实现了一种前所未有的十二面体链环的自组装。该结构包含60个交叉缠绕，由60个金属离子和60个肽配体（即M₆₀L₆₀）组成。

研究人员此前已成功构建了具有四面体链环和立方体链环的较小结构。然而，当他们尝试对较小的立方体链环M₂₄L₂₄进行功能化改造时，通过进一步修饰肽序列，诞生了更为复杂的十二面体链环。X射线晶体学分析表明，所得的M₆₀L₆₀金属肽壳层包含一个约4.0纳米（约34,000 ų）的内腔，其体积足以包载蛋白质或纳米材料等大分子。

除了令人印象深刻的结构复杂性外，M₆₀L₆₀壳层在耐热性、抗稀释性和抗氧化性方面均表现出卓越的稳定性，研究人员将此归因于其独特的缠绕网络结构。值得注意的是，该团队还证明了可在保持结构完整性的前提下，用多种官能团修饰衣壳表面，这为基于特定需求的定制化应用开辟了途径。

这些特性使M₆₀L₆₀成为药物递送系统和分子运输等多种应用的理想平台。泽田强调："考虑到肽结构的多样性和可修饰性，在结构功能化方面，我们的方法相比DNA折纸技术具有压倒性优势。此外，由于我们的方法涉及理论预测和试错实验，有时会获得远超预期的惊人结构——这正是化学的本质。"

总体而言，这项研究在理解如何构建人工病毒衣壳样结构方面迈出了重要一步。泽田总结道："我们的发现极大地拓展了肽工程的基础，预计将对分子自组装、材料化学和数学理论等多个领域产生深远影响。"研究人员目前正致力于构建更具雄心的结构，将分别包含180个和240个交叉缠绕的M₁₈₀L₁₈₀和M₂₄₀L₂₄₀组装体视为接下来的挑战目标。