图 配体超分子聚合物诱导的人工微管。（a）人工微管的冷冻三维重构图谱；（b）配体分子在人工微管中的排布；（c）配体超分子聚合物与人工微管的动态竞争；（d）限域空间内人工微管的制备；（e,f）人工微管诱导的脂质体变形
在国家自然科学基金项目（批准号：52125303、52403179、92356305、22431002）等资助下，复旦大学高分子科学系陈国颂教授团队在非共价合成人工微管的研究中取得进展，相关研究成果以“牺牲超分子聚合物介导的螺旋蛋白纳米管（Helical protein nanotubules assembled from sacrificial supramolecular polymers）”为题，于2025年1月16日在线发表于《自然•合成》（Nature Synthesis）杂志上，论文链接：https://doi.org/10.1038/s44160-024-00726-y。
天然微管作为一种超分子聚合物，具有高度一致的螺旋特征，这一保守性结构的非共价合成得益于微管结合蛋白与微管蛋白聚合过程之间的超分子竞争，从而确保了在细胞水平以高保真度实施其结构与功能的正确性。由于缺乏天然的竞争相互作用，将微管蛋白在实验室进行常规的组装操作，只能得到具有多态性特征的螺旋微管，即难以控制微管蛋白螺旋结构的参数，包括起始螺旋数和螺旋股数等。因此，对螺旋结构的均一性进行人工调控成为巨大挑战。
为了解决这一难题，复旦大学陈国颂教授团队开发了一种创新的多组分竞争组装系统。该系统同时包含小分子和生物大分子的超分子聚合物，其中四配位的配体能够诱导蛋白质聚合形成与天然微管结构高度相似的螺旋纳米管，而配体本身则自组装成纳米纤维。通过分子设计，研究团队成功调节了配体超分子聚合物（LSP）的稳定性以及其与蛋白超分子聚合物（PSP）之间的竞争，进而实现了由焓或熵驱动的不同组装途径。实验结果显示，该策略调节了人工微管的形成速率和均质性，并成功获得了类天然微管的均一螺旋结构。重要的是，该人工微管体系还可用于调控脂质体囊泡形态，实现仿天然微管的功能。此外，该体系的物理性质（如溶液粘度等）也可以通过占主导地位的超分子聚合物进行调节。这项研究通过模仿生命体系中的动态自我调控机制，在人工合成体系中再现了类似天然生物结构的自我组织与响应特性，为仿生功能材料设计提供了理论依据，并为智能医疗材料、生物器件以及先进人工材料的应用打下了基础。