蛋白质不仅是生命活动的重要组成部分，也是构筑功能材料的天然结构单元。然而，传统设计多关注蛋白质的静态结构，对其构象动态及组装调控作用的利用仍显不足。如何利用构象变化调控组装路径，实现材料结构与功能的精准设计，是该领域的重要科学问题(图1)。

  2026年10月23日，陕西师范大学杨鹏、陶菲团队在国际期刊 Matter 发表综述论文 “Harnessing protein conformational dynamics for next-generation supramolecular materials”。论文第一作者为陕西师范大学陈晓洁博士，研究获国家自然科学基金资助。

  文章系统总结了天然蛋白质结晶、淀粉样纤维化和还原诱导蛋白质相变三类组装范式，阐述蛋白质构象动态对组装路径、层级结构及材料功能的影响，并重点介绍了利用还原诱导相变构筑二维纳米薄膜和介观晶体的研究进展，为新型自适应、刺激响应型超分子材料的设计提供了新思路。

图1：蛋白质分子的动态性

1. 从静态结构到动态组装：蛋白质材料设计的新思路

  蛋白质的组装过程不仅取决于氨基酸序列和分子间相互作用，还受到构象变化及组装动力学的影响。根据组装机制和结构形成特点，本文将相关研究归纳为三类范式：天然蛋白质结晶、淀粉样纤维化和还原诱导蛋白质相变。

  天然蛋白质结晶主要通过分子间相互作用形成有序晶体，其晶型和形貌受到成核、生长及前驱体演化的影响。淀粉样纤维化则涉及构象重排、寡聚体形成、成核和纤维延伸等过程，同一蛋白质或多肽在不同条件下也可能形成不同的组装结构。进一步地，还原诱导蛋白质相变通过还原二硫键诱导蛋白质解折叠，形成具有组装活性的蛋白质颗粒，并通过调控颗粒间相互作用引导其沿不同路径组装，最终构筑具有多层级结构的超分子材料。

  这三类范式体现了蛋白质组装从有序结晶、动力学调控到可编程层级组装的发展，为理解和利用蛋白质的动态特性提供了统一的研究视角(图2)。

图2. 调控蛋白质聚集三个路径的时间线。

2. 还原诱导蛋白质相变：主动调控组装路径

  二硫键是维持许多蛋白质天然构象的重要共价连接。通过还原剂调节二硫键，可以改变蛋白质原有的构象稳定性，促进其解折叠并进一步动态组装。

  以三(2-羧乙基)膦（TCEP）等还原剂为例，蛋白质经还原后发生解折叠，形成具有组装活性的中间体。中间体之间的相互作用差异决定了后续的组装路径：当解折叠蛋白质颗粒间以静电吸引为主时，颗粒倾向于在气-液或固-液界面发生吸附、聚集与融合，最终形成二维纳米薄膜；而当颗粒间以排斥作用为主时，其可在溶液内部形成纳米晶体，并进一步通过介观尺度的协同组装构筑介观晶体。

  这一策略的关键在于，不再仅仅通过改变外部条件调节最终形貌，而是从蛋白质构象状态和中间体演化入手，主动影响后续组装过程。需要指出的是，还原诱导蛋白质相变与液-液相分离（LLPS）并不相同：前者以二硫键还原和构象激活为重要起点，后者则主要涉及多价分子间相互作用驱动的液态富集相形成。

图3. 还原诱导蛋白质相转变动力学分支路径示意图

3. 从纳米薄膜到介观晶体：拓展蛋白质材料的功能

  利用蛋白质构象动态实现组装路径调控，不仅能够改变材料的形貌，也为构筑具有特定功能的层级结构提供了可能。

  在界面组装过程中，解折叠蛋白质能够直接形成连续的二维纳米薄膜。通过调节组装条件，可以影响薄膜的厚度、形貌和界面性能。此类薄膜具有良好的界面适应潜力，可进一步用于柔性电子器件、响应型传感和分离膜等方向。在溶液组装过程中，蛋白质纳米晶体能够进一步形成更大尺度的介观结构。通过调节纳米晶体之间的相互作用及组装条件，可以构筑具有层级组织特征的材料。在仿生矿化领域，类淀粉样纤维可为无机矿物的成核和生长提供模板；在光学传感领域，蛋白质结构色薄膜则能够将环境引起的结构变化转化为可检测的光学信号。

  这些研究表明，蛋白质构象动态不仅影响材料如何形成，也能够通过调控多尺度结构进一步影响其界面性质、环境响应和应用潜力。

总结与展望

  本文从蛋白质构象动态出发，系统梳理了天然蛋白质结晶、淀粉样纤维化和还原诱导蛋白质相变三类组装范式，阐明了构象变化、组装动力学与层级结构形成之间的联系。其中，还原诱导蛋白质相变为构筑二维纳米薄膜和介观晶体提供了新的策略，并拓展了蛋白质材料在界面工程、仿生矿化和光学传感等领域的应用空间。

  未来，进一步揭示蛋白质序列、构象变化和组装路径之间的定量关系，并结合分子模拟与智能化设计方法，有望推动蛋白质基超分子材料从经验调控走向可预测、可编程的设计。

  论文信息

  论文题目：Harnessing protein conformational dynamics for next-generation supramolecular materials

  期刊：Matter

  作者：Xiaojie Chen、Shuting Miao、Qian Han、Yali Li、Fei Tao*、Peng Yang*

  通讯作者：陶菲、杨鹏

  研究单位：陕西师范大学化学化工学院

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2026.103031

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