中国科学院过程工程研究所闫学海研究员与剑桥大学Tuomas P. J. Knowles教授合作，选取双亲性的氨基酸和寡肽分子为模型组装基元，通过对其组装动力学的有效调控来追踪监测超分子纳米纤维的形成过程，进一步结合分子动力学模拟，研究发现氨基酸和寡肽均相溶液中会首先发生液-液相分离（LLPS）形成富含溶质的液滴，其作为分子聚集成核的“小室”。成核之后则遵从Ostwald熟化机制形成热力学更加稳定的超分子纳米纤维。LLPS形成的亚稳态液滴显著降低了纳米纤维的成核势垒。上述结果揭示了超分子纳米纤维形成过程中液-液相分离介导的多步成核新机制，回答了“成核点从何而来”这一困扰多年的科学难题，对超分子组装的精准调控和纤维化相关疾病治疗策略的开发具有重要的理论指导意义。该成果以题为"Nucleation and Growth of Amino-acid and Peptide Supramolecular Polymers through Liquid-liquid Phase Separation"发表在国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

中国科学院过程工程研究所的闫学海研究员团队报道了基于内源性的近红外(NIR)吸收色素胆红素(biliverdin, BV)开发的一种光热纳米制剂，为肿瘤诊断治疗提供了高效、代谢明确的候选药物。研究结果表明，通过超分子组装以及金属离子配位组装，短肽、BV与功能性金属离子组装形成具有强NIR吸收、光稳定性、胶体稳定性和高光热转化效率的光热纳米制剂。小鼠体内实验证明，BV纳米制剂在肿瘤处选择性的积累，在温和的NIR照射下肿瘤局部升温，进而实现肿瘤细胞消融，其代谢机制明确且无明显毒副作用。此外，基于BV纳米制剂的光声和磁共振成像，实现了肿瘤的可视化PTT。BV纳米制剂有优异的生物安全性，将非常有助于精准医学的进一步发展。研究成果以题为“Self-Assembling Endogenous Biliverdin as a Versatile Near-Infrared Photothermal Nanoagent for Cancer Theranostics”发布在国际著名期刊Adv. Mater.上。

综上所述，作者首次利用内源性的、无荧光的天然BV，开发了一种NIR吸收光热纳米制剂。该纳米制剂具有优良的结构、光稳定性、胶体稳定性，及高的光热转换效率和长的血液循环时间等优点。此BV纳米制剂能够在体内应用于MRI、PAI和PTT。由于许多生物色素的结构和性能与BV相近，作者提出的BV的设计理念可以为其他生物色素应用于制备光热纳米材料提供借鉴，以提高近红外吸收和光热转换效率。由于BV等内源性色素及短肽能够在体内降解，因此利用内源色素和短肽制备的光热纳米材料具有高度的生物相容性和优越的生物安全性。本研究开发的多功能生物分子组装光热纳米材料及相关制备技术可能为新一代光热制剂的开发铺平道路，进而加快促进PTT治疗癌症的仿生向临床方面进行转化。

文献链接：Self-Assembling Endogenous Biliverdin as a Versatile Near-Infrared Photothermal Nanoagent for Cancer Theranostics（Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201900822）

报告题目：寡肽调控光敏分子自组装：仿生合成和抗肿瘤治疗

报告人：闫学海 （中国科学院过程工程研究所 研究员）

报告地点：厦门大学阳光科技大厦中401

报告时间：2019年1月10日 16：00-17：30

摘要：

蛋白质与色素（光敏分子）协同自组装是自然界普遍存在的现象。在天然捕光天线复合物中，蛋白质和光敏分子的共组装使光敏分子呈三维有序排列，从而实现高效的光能捕获和能量传递。仅含有数个氨基酸的寡肽也具备复杂的自组装行为。我们利用寡肽调控光敏分子（如卟啉）自组装的热力学和动力学，获得了一系列多维度、多级次和多尺度的功能组装体。多尺度分级有序组织的组装体可以实现分子的自进化，整合类似于光合成体系的相关功能，最终实现有效的光能捕获、能量传递和物质合成（如产氢、产氧等）；通过寡肽调控光敏药物之间的相互作用，可以实现对纳米组装药物的精准构筑，控制其在生物体（特别是肿瘤组织）的能量转化模式，其具有能量转换模式可控、体内循环稳定性长和生物安全性高等优点，为开发新型抗肿瘤纳米药物提供了新方法。

报告人简介：

闫学海，中国科学院过程工程研究所研究员，博士生导师，生化工程国家重点实验室副主任。2008年7月于中国科学院化学研究所获得博士学位，2008年10月-2013年1月在德国马普胶体与界面研究所先后从事博士后和洪堡学者研究工作。主要研究领域：肽调控自组装化学与材料；仿生光合成；超分子光热/光动力治疗。现已在Chem.Soc. Rev.、Angew.Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、ACSNano等国际学术期刊发表SCI论文100余篇，SCI他引5000余次。现任中国化学会生物物理化学专业委员会和青年工作者委员会委员、Colloids and Surfaces A副主编等学术兼职。

产氧的光合作用使原始地球的大气组分发生转变，为需氧代谢和复杂生命的进化提供了条件。蓝细菌是地球上出现的第一种产氧光合生物，其产氧单元是光合系统II（PS II），其中蛋白质作为模板巧妙调控了色素和氧化还原辅因子的组织，实现高效的光能利用。设计和构建具有与PS II相似组织原则的仿生光合体系不仅有助于太阳能的高效利用，还能帮助理解复杂产氧光合作用的演化过程。近日，中科院过程工程研究所的闫学海团队通过氨基酸和卟啉分子等生物分子的分级自组织，构建了一种产氧光合细菌模型。

天然蓝细菌和仿生产氧光合细菌的示意图。

由于PS II结构复杂，在构建仿生PS II时，可行的策略是将必需的功能基元整合到“最小”的结构单元上。在分子水平上模拟PSII时，一般是将色素分子和醌或者催化剂直接以共价键相连。尽管这些体系有时能够实现高效的电荷分离或氧气生成，但分子器件缺少更高水平的组织结构和相应对催化反应的精细调控。人们也利用人工合成的蛋白质或病毒作为模板整合色素分子和醌电子受体，一定程度上实现了对PS II的电荷分离或催化产氧的模拟。然而，为了获得特异的结合位点，人们通常需要对蛋白质进行修饰或筛选，由此增加了体系构建的复杂度和操作时间。因此，利用简单的组分和温和的方法构建整合光能捕获、电荷分离和光催化产氧功能的仿生PS II仍是一个巨大的挑战。

受PS II中蛋白质调控色素、醌辅因子和催化中心组织原则的启发，该团队提出了以两亲性氨基酸（Fmoc-L-Lys）自组装纤维为模板分级组织整合功能的策略。贝类粘附蛋白中的基元左旋多巴（L-DOPA）具有多重化学性质，如酚结构与金属的配位、酚结构氧化为醌并进一步交联或与氨基反应。因此，利用DOPA在碱性条件下通过席夫碱反应修饰Fmoc-L-Lys纤维，获得了具有粘附功能的纤维模板。粘附性纤维模板能通过酚基团和金属的配位作用，结合金属卟啉（SnTPyP）和金属氧化物（Co3O4），并保持模板组装结构的完整性。

粘附性纤维模板能调控SnTPyP分子的组织模式，使其以J-聚集有序的形式排布，SnTPyP分子间高度耦合，有利于激子能量的高效传递。这样的组织方式类似于紫色细菌捕光单元中菌绿素环形排布的方式。粘附性纤维中发生左旋多巴化学反应后产生的醌基团可作为电子受体接受SnTPyP光激发的电子，由此模拟PS II中的醌型反应中心。因此，结合了金属卟啉的粘附性纤维可同时模拟天然光合系统中的捕光单元和反应中心，并能将其有效耦合。

结合产氧催化剂Co3O4纳米颗粒后，杂化纤维能在可见光的照射下产氧，且产氧的速率高于游离体系。这是因为组装体SnTPyP的电荷分离程度大于游离体系，一方面源于SnTPyP和醌的邻近效应，一方面源于SnTPyP分子间能量转移的诱捕效应。此外，Co3O4纳米颗粒在纤维上分散分布，避免了聚集，增加了催化反应位点，进而提高了催化活性。组装体系催化的稳定性也优于游离体系，主要是因为SnTPyP组装后光稳定性增加，削弱了光漂白作用，Co3O4纳米颗粒组装后分散性提高，避免了聚集沉淀。

该工作利用生物小分子自组装实现了复杂的产氧光合过程，为构建仿生光合体系，高效利用太阳能提供了新的思路。此外，该体系可视为紫色细菌模型在接受产氧催化中心后进化到“前蓝细菌”，有助于理解产氧光合系统的进化。相关成果近期发表在ACS Nano 上，文章的第一作者是过程工程研究所的博士研究生刘凯。

该论文作者为：Kai Liu, Han Zhang, Ruirui Xing, Qianli Zou, Xuehai Yan

Biomimetic Oxygen-Evolving Photobacteria Based on Amino Acid and Porphyrin Hierarchical Self-Organization

ACS Nano, 2017, 11, 12840, DOI: 10.1021/acsnano.7b08215