在生物系统中，蛋白质凝聚层的分子特征与其生物学和物理特性之间的关联一直备受关注。
目前已有研究显示蛋白质或肽序列与凝聚倾向之间存在关联，但尚缺乏能够明确描述类凝聚层蛋白结构与其生物学功能关系的模型。因此，如何通过调整分子特征实现凝聚层特性的预测性调控，具有重要意义。
为模拟凝聚层蛋白的多种功能特征，加州大学洛杉矶分校化学与生物化学系的Timothy J. Deming教授课题组在早期工作中，通过调控重复单元的多功能侧链基团，制备了四种能够在水中形成类天然蛋白质凝聚层的聚氨基酸。这些聚氨基酸通过添加氧化剂或还原剂，可实现凝聚层的可逆调控。这种具备精确侧链功能修饰的聚氨基酸结构，提供了直接研究和理解结构-性能关系的有利平台。
在本研究中，作者通过精确调控聚氨基酸侧链的氨基酸核心、连接键和末端带电基团，系统考察了侧链长度、疏水性及电荷反转对凝聚层性质的影响。这种高效的后聚合修饰方法，通过模块化合成方式，能够灵活替换小分子成分，为不同结构的多功能同聚氨基酸的制备提供了便捷途径。
上图：研究小组此前报道的凝聚层形成氨基酸功能化的聚（S-烷基-L-同型半胱氨酸）（1a-d）。下图：为了更好地理解侧链分子结构如何影响凝聚，制备了1a-d的变体，包括同型半胱氨酸同源物（2b）、连接体同源物（3c）和侧链电荷逆转的聚氨基酸（4a-d）
研究结果显示，侧链长度增加会导致聚氨基酸倾向于沉降而非凝聚。通过调节侧链硫原子与氨基酸之间的连接长度，可有效控制凝聚转变温度。此外，研究发现，利用α-螺旋结构和氨基酸侧链的功能化修饰，阴离子聚氨基酸4a-d能够形成类似于阳离子聚氨基酸1a-d的凝聚体。尤其值得注意的是，当一种聚氨基酸呈α-螺旋而另一种无序时，可形成液态凝聚体；若二者均为α-螺旋结构，则更易形成沉淀。这一现象支持了假设：聚氨基酸中应存在一定程度的构象无序性，以促进凝聚层的形成。
这些研究成果不仅拓展了材料性能的适用范围，还展示了通过侧链分子调控实现凝聚特性可预测性调整的可能性，使这些聚氨基酸成为多功能且结构明确的凝聚层形成蛋白模型的理想候选。
该成果以“Influence of Side-Chain Molecular Features on Aqueous Coacervation of Multifunctional Homopolypeptides”（《侧链分子特征对多功能均聚氨基酸水凝聚的影响》）为题，于2024年10月23日发表在中国科学院长春应用化学研究所与美国化学会共同出版的期刊Polymer Science & Technology上。
Influence of Side-Chain Molecular Features on Aqueous Coacervation of Multifunctional Homopolypeptides
Wendell A. Scott, Isaac Benavides, Timothy J. Deming*（通讯作者，加州大学洛杉矶分校，化学与生物化学系）
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/polymscitech.4c00003
Timothy J. Deming于1989年获得加州大学欧文分校化学学士学位，并于1993年在加州大学伯克利分校师从Bruce Novak教授取得化学博士学位。Deming教授在马萨诸塞大学阿默斯特分校随David Tirrell教授开展了美国国立卫生研究院资助的博士后研究。1995年，他加入加州大学圣巴巴拉分校材料系任教，同时兼任材料系与化学系的职位，1999年升任副教授，2003年晋升为正教授。此后，他转至加州大学洛杉矶分校，现任该校生物工程系主任。
Deming教授的研究兴趣主要集中在聚氨基酸合成、嵌段共聚氨基酸的自组装以及聚氨基酸的生物活性领域。凭借在这些方面的创新性工作，他获得了多个著名科研机构的青年研究员奖项，包括美国国家科学基金会、海军研究办公室、阿诺德和梅布尔贝克曼基金会、阿尔弗雷德·P·斯隆基金会、卡米尔和亨利·德雷福斯基金会、材料研究学会和国际纯粹与应用化学联合会大分子分会的表彰。他也是美国医学和生物工程研究所的研究员，并在近期荣获富布赖特-托克维尔杰出主席奖，以表彰其在学术研究中的卓越成就和对生物工程领域的贡献。
