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标题：Cooperative Role of Mixed Solvent in the Evaporation-Induced Self-Assembly of Polypeptoid Nanocrystals

期刊ACS Appl. Nano Mater.

网址：https://doi.org/10.1021/acsanm.5c01381

一、文章摘要

肽类化合物（或称肽聚体）是具有仿生特性的聚合物，能够自行组装成纳米晶体，用于生物医学和生物技术领域。通过蒸发诱导自组装的方法可以制备肽聚体纳米晶体，但长期以来，这一过程中溶剂成分在分子层面的作用一直未得到充分重视，导致在改进自组装方案时缺乏一个可调节的参数。本研究利用分子动力学模拟来研究水和常用溶剂四氢呋喃（THF）对由乙酰化二嵌段肽聚体（聚（N-癸基甘氨酸）-b-聚（N-2-（2-（2-甲氧基乙氧基）乙氧基）乙基甘氨酸），简称 Ac-Ndc10-Nte10）分子组装成纳米片的影响。为了探究自组装的阶段，分别在纯 THF、水以及它们的混合物中对孤立分子和预先组装的纳米纤维/纳米片进行了模拟。组装能级显示，THF/水混合物比纯水更倾向于形成纳米片。在 THF/水混合物中，发现肽聚体在孤立状态下更伸展，无序聚集时更不紧凑，并且在纳米晶体中，Nte块覆盖疏水性 Ndcs表面的需求降低。混合溶剂对于引发自组装至关重要，因为四氢呋喃（THF）有助于解开盘绕的多肽链分子，而水则为聚合提供热力学条件，并最终形成纳米晶体。为了获得更宽的纳米片，建议在水溶液中保留一些四氢呋喃，直到其因蒸发而耗尽为止。在纳米片表面附近，四氢呋喃的浓度高于溶液整体中的浓度（在4 M 的四氢呋喃/水溶液中为3 -4倍）。四氢呋喃的强吸附表明实际上是在混合溶剂中进行自组装的。这些结果有望指导用于多肽链纳米晶体的蒸发诱导自组装方案的改进。

二、计算图文

图 1.化学结构、纳米片以及分层自组装的假设。（a）提出的一种假设机制，该机制表明在溶剂中有机化合物的浓度持续降低时，会形成无序的聚集体和有序的纳米片。图片来源于参考文献24。版权属于2022 年美国化学学会。（b）二嵌段肽聚物和四氢呋喃/水溶剂的化学结构。（c）由层与层分子堆积组成的预组装纳米片。在（a）和（c）中，青色：Ndc；橙色：Nte。在每个堆叠中，所有的−CH2 主链基团朝向一侧（C侧），所有的−CO基团朝向另一侧（O侧）。

图 2.不同浓度四氢呋喃（THF）条件下，Ac-Ndc10-Nte10-NH2 的组装能谱及模拟纳米结构。（a）组装能谱图。（b）孤立分子和预组装纳米纤维及纳米片的所得结构示例。（c）在12层纳米纤维中的堆叠。（d - f）在不同溶剂中来自12层纳米纤维的一个堆叠。在（b - f）中，青色：Ndc；橙色：Nte。图（a）中的虚线表示完全溶剂化的单分子堆叠。由于能量成本，纯四氢呋喃无法形成大的纳米纤维/纳米片，而在水溶液中则可以实现，因为组装能降低。四氢呋喃/水混合物从纳米纤维到纳米片的能量下降略大于纯水。纯水数据来自参考文献28。版权所有2024年美国化学学会。遵循 CC-BY4.0许可使用。

图3. 不同溶剂中的六分子聚集体。（a）模拟200 纳秒后多肽链分子的快照图（青色：Ndc；橙色：Nte）。（b）旋转半径。纯四氢呋喃（THF）无法使这些分子聚合，而水溶液则可以。在四氢呋喃/水混合物中，聚集体的排列比纯水中的更松散。

图 4.孤立多肽链 Ndc 主链的 RMSD值。（a）与螺旋主链作为参考的 RMSD直方图。（b - e）分别在纯水、5%二甲基甲酰胺（THF）、4摩尔/升 THF 和纯 THF 中多肽链的代表性快照（青色：Ndc；橙色：Nte）。图（b）中的 Ndc 主链是（a）中曲线的参考结构。较高浓度的 THF会使螺旋状的 Ndc 主链展开，而纯水溶剂则具有最多的螺旋 C形主链，这从较小的 RMSD值对应的峰值中可以体现出来。

图 5.孤立分子、二聚体堆叠结构、C侧纳米片上的六层纳米纤维的 UMAP 图、聚类分析以及平均构象。（a）4 M二氯甲烷/水的 UMAP 图；（b）纯水的 UMAP 图；（c）4 M二氯甲烷/水中的 UMAP 数据点聚类图；（d）纯水中的 UMAP 数据点聚类图。平均构象旁的数字是端到端距离及其出现的次数（括号内）。在含有一定量的二氯甲烷时，孤立分子呈现出与二聚体部分重叠的构象，这表明可能存在主链的展开。在纯水中，孤立分子的构象与纳米结构中的构象不同，这暗示了主链展开的困难以及随后纳米晶体的生长的难度。

图6.脂肪族化合物在肽型纳米晶体中的覆盖情况。（a）纳米片附近脂肪族化合物的密度概率图，显示了不同的区域（黑色：0.5；紫色：0.3；绿色：0.2；青色：0.1克/立方厘米）。（b）与肽型表面距离处的摩尔比。（c）距离一个堆叠层4厘米范围内形成的12层纳米纤维内的脂肪族化合物；（d）距离一个堆叠层4厘米范围内形成的12层纳米纤维内的水。在（c）和（d）中，青色：Ndc；橙色：Nte；紫色：脂肪族化合物；黄色：水。

图7.表面解吸的自由能。（a）4克/升四氢呋喃/水混合物的平均力势能；（b）纯水（仅有一个四氢呋喃分子）的势能；（c）4克/升四氢呋喃/水混合物的采样区域（青色：Ndc；橙色：Nte），展示了密度概率为0.0克/立方厘米的等高线。每个采样窗口的大致位置在（a）图的上方标注有。能量屏障随着四氢呋喃浓度的降低而升高，这表明在蒸发诱导的自组装过程结束时，从肽类表面去除四氢呋喃变得更加困难。

三、计算分析

3.1组装能量学（Thermodynamic Driving Forces）

计算目标：量化不同溶剂环境（纯THF、THF/水混合物、纯水）下多肽自组装的能量变化。

关键公式：

其中：

E(N⋅A in M⋅S)：含N个多肽和M个溶剂分子的体系势能；

M⋅e(S)：纯溶剂（参考态）势能；

e(A in S)：单分子组装能（负值表示自发组装）。

核心发现（图2a）：

纯THF中组装能为正（能量成本），抑制自组装；

THF/水混合溶剂（如4M THF）比纯水更显著降低组装能（Δe更负），表明其增强二维纳米片形成。

3.2构象采样与结构演化（Conformational Dynamics）

增强采样技术：Replica Exchange with Solute Tempering (REST2)

目的：克服能垒，高效采样孤立多肽的构象空间。

参数：温度梯度300–600 K（PLUMED实现），交换率>25%，60 ns/副本轨迹。

构象量化方法：

RMSD分析（图4a）：以纯水中卷曲构象为参考，计算Ndc区块的均方根偏差，揭示THF促进主链伸展。

UMAP降维 + HDBSCAN聚类（图5, S6）：

输入：Ndc区块重原子坐标→距离矩阵（平移/旋转不变）；

超参数：邻域数=15，最小距离=0；

聚类：最小簇大小=10，核心点最小邻居=3。

发现：4M THF/水中孤立分子存在与纳米片相似的伸展构象（图5c），而纯水中无此现象。

3.3溶剂吸附与局部环境（Preferential Solvation）

伞状采样（Umbrella Sampling）：

目标：计算THF从纳米片表面解吸附的自由能（PMF）。

反应坐标：THF质心到最近Ndc原子的最小距离（连续函数处理）。

参数：81个窗口（0.35–4.4 nm），力常数3000 kJ/mol/nm²，20 ns/窗口，WHAM整合数据。

结果（图7）：

THF在Ndc疏水区块的吸附能垒最高（3–4倍富集）；

纯水中解吸能垒更高→蒸发后期THF难以完全移除。

3.4计算直接解释实验现象

溶剂残留机制

实验现象：蒸发诱导自组装后THF未完全去除（文献18,25）

计算阐明：

伞状采样（图7）显示THF解吸附能垒达3-4 kBT → 动力学限制导致残留

局域浓度分析（图6b）证实界面THF富集（3-4倍）→ 形成"准混合溶剂"环境

纳米片尺寸控制

实验矛盾：纯水组装纳米片尺寸有限（文献11）

计算机制：

组装能曲线（图2a）：THF/水混合溶剂中纳米片能量降幅比纯水高~5 kJ/mol → 热力学驱动力增强

构象分析（图5）：THF促进主链解旋 → 降低插入能垒，加速横向生长

3.5计算指导实验优化

蒸发过程调控

计算建议：维持微量THF（非完全蒸发）

证据1：Rg分析（图3b）显示混合溶剂中聚集体更松散 → 预留重组空间

证据2：UMAP聚类（图5c）显示THF存在时，0.3%孤立分子达近伸直构象 → 提高有效成核浓度

溶剂配比设计

计算临界值：

痕量水测试（图S2）：2个水分子即触发组装态转变 → 实验加水需＞临界浓度

界面富集效应（图6a）→ 实际THF需求低于表观浓度

3.6计算验证实验假设

分级组装模型（图1a）

实验假设：无序聚集体→伸直主链→有序组装

计算验证：

步骤1：6分子MD（图3a）证实水性环境自发聚集

步骤2：REST2采样（图4）证明THF促主链伸直

步骤3：组装能分析（图2a）显示纳米片能量最低 → 热力学终点

结晶驱动力来源

实验争议：疏水作用 vs 骨架氢键

计算定论：

纯THF中组装能增加（图2a）→ 疏水作用主导

界面水分子罕见（图6d）→ 排除氢键关键作用

3.7计算-实验闭环验证

四、计算方法

4.1分子动力学（MD）模拟框架

基础设置

软件与硬件：
GROMACS 2022.5（GPU加速），PLUMED 2.7.2（增强采样）

力场模型：

多肽骨架：CGenFF扩展力场（专为多肽优化）

溶剂：TIP3P水模型 + CGenFF标准THF配体

关键参数：

体系构建与平衡

预组装结构初始化：

基于cryo-EM数据构建纳米片初始模型（层状堆叠，65°倾斜角）

固定Ndc区块（弹簧常数1000 kJ/mol/nm²）优化Nte构象（10 ns真空弛豫）

溶剂化与平衡：

溶剂盒尺寸：确保≥8 Å溶质间距

平衡流程：90 ns NpT平衡（监测势能收敛）→ 150 ns生产模拟

4.2增强采样技术

副本交换（REST2）

目的：高效采样孤立多肽构象空间

参数：

伞状采样（Umbrella Sampling）

目标：计算THF解吸附自由能（PMF）

参数：

4.3关键分析方法与公式

组装能量学（核心公式）

e(A in S)=NE(N⋅A in M⋅S)−M⋅e(S)

变量说明：

E(N⋅A in M⋅S)：含N个多肽和M个溶剂分子的体系总势能

M⋅e(S)：纯溶剂参比体系的势能（通过独立溶剂盒计算）

注意：混合溶剂中，THF/水按固定比例视为虚拟分子"S"（e.g., 4M THF中THF:水=1:13.9）

构象分析技术

RMSD计算：

参考结构：纯水中卷曲Ndc主链（图S1）

UMAP+HDBSCAN聚类：

输入数据：Ndc区块重原子坐标→内部距离矩阵（平移/旋转不变）

超参数：邻域数=15, 最小距离=0, 最小簇大小=10, 核心点最小邻居=3

工作流程（图S6）：

4.4验证与误差控制

组装能方法验证：

大体系测试（图S2）：对比不同溶剂盒尺寸，确认THF表面吸附对体相浓度影响可忽略（4M THF/水）

局限性：痕量水（1-2分子）时失效（有限尺寸效应）

局部溶剂浓度计算：

方法：统计THF/水在纳米片表面4 Å内的分子数（图S5）

4.5计算结论的核心支撑

此工作通过上述严格的计算协议，首次量化了混合溶剂在蒸发诱导自组装中的协同作用机制，为实验优化提供了分子尺度依据。