一项重要的分子工程进展通过肽和金属离子的自组装产生了一种大型空心球形壳纳米结构，日本的研究人员报告称。这种测量为6.3纳米直径的十二面体链接结构是通过结合源于结理论和图论的几何原理与肽工程获得的。所得到的结构展示了显著的稳定性，同时具有适合封装大分子的较大内腔，为生产复杂的人造病毒壳体开辟了途径。
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，特别是在试图创建模仿生物系统的大型纳米结构时。自然界中的示例，如病毒壳体和货物蛋白，展示了这种结构的非凡潜力。然而，具有精确几何控制的大型空心纳米结构的构造方法一直难以实现——直到现在。
在最近的一项研究中，由日本东京科学研究所的副教授泽田智久领导的研究团队成功构建了一种具有正十二面体几何拓扑的分子球壳结构。这项开创性工作于2025年5月1日在线发表在期刊《Chem》上，描述了研究人员是如何通过肽与金属离子的纠缠创造这个外径为6.3纳米的大型结构的。
“这种高度复杂结构的合成基于几何考虑和预测，导致了一种新概念的提出：化学结构的几何控制，”泽田解释道。团队的方法结合了两个不同的数学框架，即结理论和图论，以预测然后实现前所未有的具有60个交叉的十二面体链接，该链接由60个金属离子和60个肽配体组成（或M60L60）。
研究人员之前创建了具有四面体和立方体链接的小型结构。然而，在他们尝试功能化M24L24（一个较小的立方体链接）的过程中，在肽序列中引入进一步的修改之后，形成了更复杂的十二面体链接。X射线晶体学分析显示，所得到的M60L60金属-肽壳体含有大约4.0纳米（大约34,000 ų）的内腔，足够封装诸如蛋白质或纳米材料等大分子。
除了其令人印象深刻的结构复杂性，M60L60壳体在热、稀释和氧化条件下表现出显著的稳定性，研究人员将其归因于其独特的纠缠网络结构。有趣的是，团队还展示了外壳表面可以用各种功能基团进行修饰，同时保持其结构完整性，为根据特定需求进行定制开辟了路径。
这些特征使得M60L60成为药物输送系统和分子运输等各种应用的有希望的平台。“考虑到肽结构的多样性和可修饰性，我们的方法在功能化结构方面相较于DNA折纸技术具有压倒性优势，”泽田强调道。“此外，由于我们的方法涉及理论预测和试错实验，有时会获得远超我们预期的惊人结构——这就是化学的本质。”
总体而言，这项研究代表了在理解如何构建人造病毒壳体结构方面的重要进展。“我们的发现显著扩展了肽工程的基础，预计将在包括分子自组装、材料化学和数学理论在内的多个领域产生巨大影响，”泽田总结道。研究人员现在的目标是更加雄心勃勃的结构，设想M180L180和M240L240组装，分别具有180和240个交叉，作为他们的下一个挑战。
