大型金属-肽衣壳纳米结构的几何控制自组装

控制纠缠分子链的拓扑和结构是分子工程中的一个关键挑战，特别是在尝试创建模拟生物系统的大型纳米结构时。自然界中的范例，如病毒衣壳和货物蛋白，证明了此类结构的巨大潜力。然而，构建具有精确几何控制的大型中空纳米结构的方法一直难以实现——直到现在。

在最近的一项研究中，由日本东京科学研究所的泽田智久副教授领导的研究团队成功地构建了一个具有规则十二面体几何拓扑的分子球壳结构。这项开创性的工作于2025年5月1日在《化学》（Chem）期刊在线发表，描述了研究人员如何通过肽与金属离子的缠结构建了这个外径为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学的考量和预测，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，以预测并最终实现了一个前所未有的十二面体链环结构的自组装。该结构具有60个交叉点，由60个金属离子和60个肽配体（或称M₆₀L₆₀）组成。

研究人员此前曾创建过较小的四面体和立方体链环结构。然而，当他们尝试在功能化较小的立方体链环M₂₄L₂₄的过程中对肽序列进行进一步修饰时，更复杂的十二面体链环结构出现了。X射线晶体学分析显示，最终得到的M₆₀L₆₀金属肽壳层包含一个约4.0纳米（约34,000立方埃）的内腔，该腔体足够大，足以封装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壳层在抗热、抗稀释和抗氧化条件方面表现出显著的稳定性，研究人员将其归因于其独特的缠结网络结构。有趣的是，该团队还证明，可以在保持结构完整性的同时，用多种官能团修饰衣壳表面，这为根据特定需求进行定制化改造开辟了途径。

这些特性使M₆₀L₆₀成为一个适用于多种应用（包括药物递送系统和分子运输）的有前景的平台。泽田强调说：“考虑到肽结构的多样性和可修饰性，与DNA折纸技术相比，我们的方法在结构功能化方面具有压倒性优势。此外，由于我们的方法涉及理论预测和试错实验，有时会得到远超我们预期的惊人结构——这就是化学的本质。”

总的来说，这项研究代表了在理解如何构建人工病毒衣壳样结构方面迈出的重要一步。泽田总结道：“我们的发现极大地拓展了肽工程的基础，预计将在分子自组装、材料化学和数学理论等多个领域产生巨大影响。” 研究人员现在正致力于构建更具雄心结构，将分别具有180个和240个交叉点的M₁₈₀L₁₈₀和M₂₄₀L₂₄₀组装体作为他们的下一个挑战目标。