在纳米科技领域，蛋白质纳米材料的设计和制备一直是备受关注的研究方向。这些材料具有广泛的应用潜力，涵盖了药物输送、生物传感、材料科学等多个领域。然而，由于蛋白质结构的复杂性和不规则性，以往的设计方法面临着诸多挑战。

　　传统上，设计蛋白质纳米材料往往依赖于将蛋白质单体或循环寡聚体通过对接或融合的方式组装成所需的结构。然而，这些方法存在两个主要限制：一是构件形状的复杂性导致无法简单地根据几何原理进行组装，需要耗费大量计算资源进行形状匹配；二是设计的蛋白质组装体难以进行尺寸的调整，无法轻松实现不同尺寸的材料制备。

　　为了克服这些限制，研究人员迫切需要一种通用且有效的设计方法，能够简化蛋白质纳米材料的构建过程，并实现尺寸的可控调整。

　　2024年3月13日，华盛顿大学的David Baker教授等人在世界知名期刊

　　该研究开发了一种新的设计方法，通过构建模块化和规则化的蛋白质构建块和相互作用，实现可扩展的高阶蛋白质纳米材料的设计。通过这种设计，组装体可以根据需要通过调整模块数量来扩展或收缩，并且可以通过辅助支架进行加固。研究者还构建了从简单的多边形和圆形寡聚体到大型多面体纳米笼和无边界的直线“列车轨道”组装体的一系列纳米材料设计。

　　作为蛋白质设计领域的领军人物，David Baker教授领导的实验室开发了多种蛋白质设计软件，包括Rosetta等，这些软件为研究人员提供了强大的工具，用于设计和预测蛋白质结构及其功能。他的研究团队取得了丰硕的成果，发表了超过600篇研究论文，获得了100多项专利。

　　1958年，约翰·肯德鲁（John Kendrew）在描述肌红蛋白（myoglobin）结构时，惊叹于其复杂性和缺乏对称性。六十多年的研究已经证实，这种复杂性是蛋白质的特征之一。然而，David Baker创新的蛋白质设计方式打破了这一传统观念——他们在该论文中展示了新设计的蛋白质材料的惊人简单性和规律性，类似于用木梁简单地构建房屋框架的方式。

　　传统蛋白质结构中存在着许多局部不规则性、弯曲和偏离直线的地方，这些特点使得难以实现图1中所示的具有简单纳米材料扩展性的性质。为了克服这些问题，研究人员设计了一系列由理想α-螺旋组成的新型构建模块，其中所有螺旋轴均对齐。这些模块被称为“无扭曲螺旋重复单元”（Twistless Helix Repeat, THR），每个单元由相同的直螺旋α-螺旋构成，长度可通过改变重复单元的数量来调节。

　　与现有的自然和设计的重复蛋白质不同，THR被设计成具有模块化的纳米材料设计能力。线性模块是完全直的，使得纳米材料能够在不改变构成单体之间角度的情况下进行延展和收缩；曲线模块具有光滑的曲线轨迹，保持在平面内；转折和相互作用模块使得两个模块能够以精确的相对方向进行放置，角度适合于规则材料设计。

　　THR通过明确放置这些直螺旋结构元素来进行蓝图设计，使用了类似于螺旋线和螺旋束设计的原则的扩展。设计模型中的螺旋是完全直的，并且与z轴平行，整体的重复蛋白质轨迹由从a0到a1的以下变换参数完全定义。

　　为了进一步增加材料的复杂性，研究人员还设计了曲线和转折型THR。曲线THR通过在重复元素之间引入相位变化（Δθ）来产生曲线轨迹，从而生成了闭合环。转折模块则可以用于产生特定的转折角度。实验结果表明，这些设计能够成功地产生理想的蛋白质结构，并具有高度的一致性和稳定性。此外，THR还能够通过增加支撑来增强设计材料的结构稳定性，从而设计复杂的结构。

　　通过使用具有良好规律性的蛋白质构建单元（THRs），可以简单地通过改变构成THRs的重复单元的数量来扩展纳米材料的尺寸，而无需改变任何区块之间的接口。对于环状组装体系，需要将线性THRs放置在传播轴与环状对称轴正交的位置；而对于多面体纳米笼体系，线性THRs的传播轴需要与由THRs张开的对称轴平行。

　　此外，研究者还设计出了具有C2对称接口的扩展性纳米笼体系，以及形状各异的纳米笼体系。通过实验验证，作者成功地设计并构建了多种可扩展的纳米材料结构，并对其结构和功能进行了详细的表征，表明了这一设计方法的可行性和有效性。

　　总之，该研究通过使用可扩展的线性、曲线和倾斜的蛋白质构建模块以及它们之间的相互作用，实现了蛋白质组装结构的可预测性和规则性。与木结构房屋框架相似，这些蛋白质构建模块遵循特定的几何标准，使得纳米材料的设计变得简单而直观。

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