自組裝多肽凝膠由于其具有良好的生物可降解性、生物相容性、低毒性，因此被廣泛應用于細胞培養、藥物遞送、生物傳感器生物工程、納米藥物和功能性材料。目前研究者主要將精力集中在疏水性多肽凝膠的制備和結構性質，但基于分子設計和凝膠性能之間的關系尚不明晰。同時現有的多肽凝膠的分子序列大多由疏水性和芳香族氨基酸組成，其溶解性限制了多方面的應用。自然氨基酸由20種組成，分子設計能夠滿足許多特定需求的領域的應用，但是氨基酸側鏈性質與分子組成以及分子性能的關系還處于初步探索階段。
針對自組裝多肽分子結構和凝膠性能的關系，潘思軼教授團隊通過計算機模擬和實驗手段相結合，建立一種篩選多肽分子凝膠的方法。同時探索其自組裝性能和凝膠形成機制，此方法能夠為多肽凝膠在多領域的應用提供新的思路的基礎。本工作以400種毒性較小的碳鏈修飾的二肽（C13-dipeptide）為目標，通過計算機模擬技術（粗粒化分子動力學模擬（coarse-grain dynamics molecular simulations））對400種C13-dipeptide進行水相中模擬，通過聚集程度（APS）推測是否可能形成凝膠，隨后根據聚集程度APS的結果，篩選出可能的序列并挑選進行實驗驗證，并通過全原子分子動力學模擬（all-atom dynamics molecular simulations）探究其自組裝機制。
圖一. (a) 400種C13-dipeptides的APs排序，(b) 20種氨基酸對APs的貢獻。
該團隊通過以C13-GG最簡單的側鏈組成的二肽作為基準，對模擬出來的聚集程度（AP）進行校正，考慮側鏈基團的大小和性質，將APs替代傳統的AP值，更準確的預測C13-dipeptides的聚集程度，更好的達到預測該分子是否為凝膠因子。
圖二. 全原子模擬結構 (a) C13-WR, (b) C13-YK, (c) C13-KW, (d) C13-GW, (e) C13-WY, (f) C13-WS, (g) C13-WT, (h) C13-VY and (i) C13-WD
隨后，在全APs分布下挑選9種C13-dipeptides (0.250 (C13-YK/0.266, C13-KW/0.265, C13-GW/0.250 and C13-WY/0.246), 0.2000 (C13-WS/0.233 and C13-WT/0.211), and 0.150 (C13-VY/0.179 and C13-WD/0.156))，并合成通過酸誘導方式形成凝膠，為粗粒化模擬的結果做驗證，并通過全原子模擬和實驗手段探究C13-dipeptides自組裝機制。
五種凝膠的照片（凝膠形成18h）
在挑選的9中多肽中，當APs分布在0.156< APs <0.250能形成凝膠，其凝膠性能不一，多尺度的實驗手段測量表明凝膠穩定性：C13-VY > C13-WS > C13-WY > C13-WT > C13-GW。全原子結果表明，C13-dipeptides的聚集先通過疏水相互作用聚集，隨后通過氫鍵作用和靜電相互作用進行重排聚集。此結果能夠為C13-dipeptides凝膠的設計提供理論支撐，為多肽凝膠在多領域的開發利用提供理論支撐。
以上相關成果發表在Biomacromolecules. 2019, DOI: 10.1021/acs.biomac.9b01386.論文的共同第一作者為華中農業大學食品科技學院胡坦博士，華中農業大學食品科技學院張卓副教授，通訊作者為華中農業大學潘思軼教授。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.biomac.9b01386
