东京工业大学生命理工学院生命理工学系的研究生菊池幸祐、上野隆史教授和古田忠臣助教组成的研究团队，与九州大学研究生院理学研究院的前多裕介副教授和福山达也研究员（当时），以及名古屋大学/自然科学研究机构生命创成探究中心的内桥贵之教授的研究团队合作，通过重组蛋白质成分成功地形成了所需要的纳米图案。
图1：程序化分子自发形成纳米图案的示意图（提供：东京工业大学）
尽管蛋白质作为源自生物体的新一代纳米材料备受期待，但其聚集形成图案的机理很复杂，难以自由设计。
研究团队此前对拥有刚体部分的棒状蛋白质PN进行研究，发现PN的两端可以自由改造，通过设计PN两端的连接，可以形成各种二维图案。
具体来说，研究团队共设计了以下3种PN：拥有扩展到两端的组氨酸标签（His-tag）簇的rPN、两端被Foldon结构域覆盖无法形成连接的rPN-ΔHis，以及因疎水性β折叠拥有平滑末端的rPN-ΔTip。
利用高速原子力显微镜观察设计的3种PN发现，分别形成了三角形纳米晶格、并排状态以及纤维结构，表明通过PN末端的结构设计可以控制形成的二维纳米图案。
另外，研究团队还直接观察到了单个末端结合的rPN边以枢轴为轴心大幅旋转边寻找结合对象排列的过程，并且捕捉到了PN在齐头并进和旋转的过程中相互聚集的情况，表明纳米图案的形成过程中存在着蛋白质的动态运动。
图2：通过设计棒状蛋白质的末端设计二维纳米图案的概念图（供图：东京工业大学）
研究团队根据在这些实验中观察到的运动性构建理论模型，实施了蒙特卡罗模拟。由此确认，根据PN末端的不同，最终的纳米图案会发生巨大变化，与实验结果高度一致。
上野教授表示：“利用此次通过观察实验和理论模拟明确的排列机制，有望创造出像鸟群或鱼群一样处理蛋白质的分子群机器人。另外，通过丰富聚集的蛋白质成分并使其混合，还有望开发出具有意想不到的新结构和功能的智能材料。”
论文：Kosuke Kikuchi, Tatsuya Fukuyama, Takayuki Uchihashi, Tadaomi Furuta, Yusuke T. Maeda, Takafumi Ueno: Protein Needles Designed to Self-Assemble through Needle Tip Engineering, Small, 2106401 (2022)
【词注】
智能材料：可以感知和判断周围的环境与刺激，并在此基础上采取适当行动的功能材料。
组氨酸标签簇：20种氨基酸之一的组氨酸6个连接在一起即为组氨酸标签，而在rPN中，每个末端各有3个组氨酸标签，合计有18个组氨酸，因此称为组氨酸标签簇。
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
