因组装基元构筑简单、设计灵活度高、生物相容性好和形性可协同调控等特性，芳香短肽自组装已成为超分子领域里的研究热点，并在化学、材料、生物和先进制造等学科中备受瞩目。因此，自2003年Science杂志首次报道明星分子——二苯丙氨酸二肽（FF），自组装形成纳米管以来，芳香短肽自组装已在全球几十个国家、一百多所研究机构引起广泛关注。鉴于此，恰值FF自组装奠基之作问世20周年之际，浙江大学机械工程学院梅德庆教授、陶凯研究员联合中国科学院化学研究所李峻柏研究员、爱尔兰利莫瑞克大学Syed A. M. Tofail教授和以色列特拉维夫大学Ehud Gazit教授组成一支多学科交叉的国际合作团队，通过广泛、深入的文献调研，全面系统地回顾了芳香短肽自组装过去20年的发展历程和取得的关键成就，详细讨论了芳香短肽自组装和阵列化的热力学和动力学、形貌调控及其光学、机械、电学、催化和生物医学性能等；并对其未来的研究方向进行了预测，提出六个极具潜力的研究方向。作者团队群策群力，最终汇成一篇涵盖基础研究与工程应用、有益于多个学术领域研究人员的综述性文章，并以“Aromatic Short Peptide Architectonics: Assembly and Engineering”为题发表在国际权威学术期刊Progress In Materials Science（IF=37.4）上，浙江大学流体动力基础件与机电系统全国重点实验室为第一单位。
建筑学是一门既古老又新兴的工程科学，旨在通过各种手段、利用各种组装单元设计构筑具有特定形态、指定功能的组装结构（件），例如使用水泥将砖块组装（堆叠）成风格迥异、功能多样的高楼大厦等。而在1959年美国物理学会年会上，理查德·费曼(Richard Feynman)教授在其划时代的演讲“There is Plenty of Room at the Bottom”中所提到，在微观世界中可采用原子和分子作为构筑基元（砖块），利用化学键合力（水泥）进行建筑学设计，有望制备出高性能、高精度和高可靠的微纳器件装备，从而将建筑学的范畴拓展到微纳尺度并大大拓宽其应用领域。而通过巧妙地利用分子间非共价键相互作用力作为机械加工手段，可以实现以分子作为操纵对象、以分子定义制造模式和以分子调控器件表现（图 1）——分子制造。
图1 芳香短肽自组装基分子制造金字塔图
由于驱动力的多样性、矢量性和可定制的排列组合方式等优势，芳香短肽自组装可经历寡聚化形成超分子量子点，然后在驱动力诱导下熟化成一维、二维乃至三维的超分子结构（图2）。这种结构上的多样性和性能上的多功能性为生物有机超结构的定制化设计提供了可行性，以满足不同应用场合的特定需求。因此，经过20年的发展，芳香短肽自组装已经在多个领域显示出广阔的应用前景。
图2 芳香短肽自组装的动力学过程和结构多样性
形貌决定其性能。丰富的自组装模式赋予芳香短肽超结构独特的光、机械、电、催化及生物医学性能（图3）；并且通过进一步阵列化，可进行各种功能器件的设计制造，因此在各种智能生物医学工程领域，尤其是生物-器件界面交互和生物医学领域，具有广阔的应用潜力。
图3 芳香短肽自组装超结构的各种理化性能
经过20年的发展，芳香短肽自组装已经在微观机制、形性调控以及各种性能表征优化方面取得了一系列进展；但在工程应用领域，利用其进行先进器件的设计制造、器件集成、先进表征、器件机制以及可靠性优化等方面尚未取得广泛突破，致使该超分子体系仍未实现广泛的实际应用。因此，作者团队在文章最后，从(1)自组装形性高效协同调控、(2)性能深度挖掘与表征、(3)拓扑化阵列集成、(4)器件结构设计与制造、(5)芳香短肽自组装的生理活性和(6)缺陷感知功能修复六个方向为芳香短肽自组装的未来发展指明了研究思路，以飨读者。
总之，该论文综述了过去20年芳香短肽自组装取得的里程碑式进展，系统阐明其自组装动力学、热力学和各种理化特征以及应用。而随着研究的进一步深入，芳香短肽自组装定会从基础研究逐渐过渡到工程应用，并有望实现在一个系统中集成多种功能如监测、反馈、治疗、供电和生物降解等。因此，我们有理由期待芳香短肽自组装的更大突破，从而为人类的科学和技术进步做出更大贡献。
文章信息:
Kai Tao, Haoran Wu, Lihi Adler-Abramovich, Jiahao Zhang, Xinyuan Fan, Yunxiao Wang, Yan Zhang, Syed A.M. Tofail, Deqing Mei, Junbai Li, Ehud Gazit. Aromatic short peptide architectonics: Assembly and engineering. Progress in Materials Science, 2024, 101240.
陶凯 研究员
浙江大学机械工程学院/浙江大学杭州国际科创中心研究员，博导；分子制造研究领域，致力于通过操控分子自组装与阵列化，制备特定形性的超分子电介质材料/结构（件），并以此设计制造面向智能生物医学工程的超分子功能器件；主要从事生物有机自组装与阵列化、超分子电介质与软器件的设计制造等研究；其通过多学科交叉，期望打通从生物有机自组装与阵列化的表征调控到面向生物医学工程的超分子电介质制备与器件设计制造的全贯通。课题组诚挚邀请热爱科研的本科生、研究生以及博士后加盟，共同成长、携手并进！。