Die Forschung zur biomolekularen Selbstorganisation trägt dazu bei, die Zellfunktion und die Pathogenese von Krankheiten aufzudecken und bietet außerdem ein wirksames Mittel zum Aufbau grüner ökologischer Materialsysteme mit einzigartigen Funktionen. Kürzlich wurde ein Team unter der Leitung von Prof. Yan Xuehai vom Institut für Verfahrenstechnik (IPE) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eingeladen, seine Fortschritte bei der Peptidselbstorganisation (PSA) und mehrskaligen Prozessmechanismen zusammenzufassen.
Die Studieveröffentlicht in Berichte über chemische Forschungumfasst die Entdeckung tröpfchenartiger ungeordneter Strukturen, die Entdeckung eines neuen Mechanismus für die Flüssig-Flüssig-Phasentrennung (LLPS)-vermittelte mehrstufige Desolvatisierung von PSA, die Entwicklung neuer fester Glasmaterialien mit weitreichender Unordnung und die schlug Schlüsselrichtungen für das Design und die Entwicklung von Peptidmaterialien der nächsten Generation vor.
Die biomolekulare Selbstorganisation in der Natur erzeugt einzigartige biologische Funktionen wie molekulare Erkennung und Signalübertragung durch geordnete und ungeordnete supramolekulare Strukturen. Im Vergleich zu geordneten Strukturen liegen ungeordnete Strukturen meist in Form thermodynamischer metastabiler Zustände vor, die aufgrund ihrer kurzlebigen Existenz schwer zu beobachten sind.
Durch eingehende Forschung haben Forscher nach und nach einige ungeordnete Strukturen wie kondensierte Tröpfchen oder Glas entdeckt. Allerdings bleibt die genaue Steuerung des Selbstorganisationsprozesses, insbesondere um die Stabilität und Integrität ungeordneter Strukturen sicherzustellen, eine große Herausforderung auf dem Gebiet der PSA.
Forscher des IPE haben an der Erforschung der biomolekularen Selbstorganisation, mehrskaligen Prozessmechanismen und biomedizinischen Anwendungen gearbeitet. Basierend auf früheren Arbeiten entwickelten sie neue Methoden zur Regulierung des PSA-Prozesses für den Aufbau geordneter Strukturen und deren funktionale Anwendungen.
Sie konzentrierten sich auf die vorübergehend auftretenden tröpfchenartigen ungeordneten Strukturen und zeigten, dass der PSA-Prozess ein mehrstufiger Desolvatisierungsprozess ist, der durch LLPS vermittelt wird, sowie die Modulation der metastabilen Tröpfchen, um geordnete Strukturen mit unterschiedlichen Morphologien und Funktionen zu erhalten.
Darüber hinaus entdeckten die Forscher weitreichende ungeordnete Festglasstrukturen sowie die Leistungsvorteile der Abbaubarkeit und Verarbeitbarkeit, die neue Möglichkeiten für die Entwicklung neuartiger implantierbarer Geräte und Arzneimittelverabreichungssysteme bieten.
Die selbstorganisierten ungeordneten Peptidstrukturen müssen noch erforscht werden, beispielsweise mithilfe von Computersimulationen zur Vorhersage ungeordneter Strukturen und mithilfe von In-situ-Bildgebungs- und Verfolgungstechniken zur Aufdeckung der Eigenschaften ungeordneter Strukturen. Die laufende Forschung und Entwicklung von PSA von geordnet zu ungeordnet liefert Leitlinien für die präzise Regulierung ungeordneter Strukturen und funktioneller Anwendungen.
Die Untersuchung von Aminosäuren und Peptiden, die durch LLPS Koazervate bilden, bietet eine Methode zur Entwicklung biomimetischer primitiver Zellen, die uns hilft, den biologischen Evolutionsprozess und die Pathogenese einiger Krankheiten zu verstehen. Aufgrund ihrer guten biologischen Abbaubarkeit, Verarbeitbarkeit und Umweltfreundlichkeit wird erwartet, dass die ungeordneten Glasstrukturen in biomedizinischen Bereichen wie der Arzneimittelverabreichung und verarbeitbaren Geräten wie tragbaren Geräten weit verbreitet sein werden.
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Rui Chang et al, Peptid-Selbstorganisation: Von der geordneten zur ungeordneten, Berichte über chemische Forschung (2024). DOI: 10.1021/acs.accounts.3c00592