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近日，南京大學董昊教授課題組基于“計算驅動+實驗驗證”的研究范式，通過調節溶液的pH實現對于兩親型七肽Ac-IHIHIQI-NH₂（IIQ）的結構、形貌和熒光性質的精確控制，發現自組裝結構中的多肽主鏈間氫鍵網絡是其固有熒光的主要來源，且具有保守性。

本研究中，研究人員通過全原子分子動力學模擬，預測IIQ序列在從強酸到強堿的pH范圍內均可以自組裝成有序結構，并從原子層面闡明了結構與環境因素之間的相互作用機制。其中溶液中的抗衡離子與帶電側鏈之間的相互作用在強酸/堿性條件下對自組裝結構的穩定性起到關鍵作用。

圖1. 計算預測不同pH條件下多肽具有不同的自組裝結構和相互作用模式

研究人員通過圓二色譜表征，證實IIQ序列在不同pH條件下均可維持其β折疊片自組裝結構。與此同時，原子力顯微鏡等顯微技術揭示了自組裝結構在不同pH環境中存在顯著的形態學差異；這些形態變化與多肽鏈的局部電荷分布及與環境的相互作用密切相關。模擬預測結果與實驗驗證數據的高度一致性，充分說明計算驅動方法在研究多肽自組裝體結構與功能關系方面的有效性，也從原子層面揭示了pH變化如何精細調控多肽的自組裝過程及其最終結構形態。

圖2. 實驗驗證多肽自組裝結構的差異性和熒光特性的保守性

本研究觀察到所有自組裝體系在約305 nm處均呈現出明顯的熒光峰。第一性原理計算揭示了該固有熒光峰的本質，即肽鏈中部的主鏈酰胺鍵在致密的氫鍵網絡保護下受激發，經歷電荷轉移而產生。這種由自組裝導致的主鏈氫鍵網絡的結構特征顯著促進了分子軌道的重疊，為電荷轉移過程提供了有利的條件。

進一步的研究表明，體系的熒光強度對溶液pH表現出顯著的依賴性：在近中性條件下，自組裝結構更為致密，則體系展現出較強的熒光強度。而分子動力學模擬揭示了pH值對自組裝體主鏈間氫鍵的距離、角度以及能量分布的影響。這些參數的變化直接關聯到多肽鏈的結構穩定性及其動態行為，進而影響體系的熒光特性。因此，溶液pH不僅調控多肽鏈的自組裝過程，也對其熒光行為產生顯著的影響。

圖3. 多尺度模擬計算揭示多肽自組裝誘導熒光的分子機制

在前期工作中，董昊教授課題組基于計算驅動的研究思路，研究了七肽催化pNPA水解（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 223.）和硅烷產氫（J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 13488.）以及環二肽催化pNPA水解（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 17164.）的分子反應機理及層級組裝機制，并系統總結了理論計算在自組裝多肽催化反應機制研究中的進展（Meth. Enzymol. 2024, 697, 321.）。在上述工作基礎上，課題組繼續深入探索pH調控與自組裝結構以及光學性質之間的內在聯系，秉持計算驅動結合實驗驗證的研究思路，深入解析多肽層級自組裝復雜過程中各因素間的相互作用關系，揭示出多肽層級自組裝誘導熒光的全新機制，深化了對環境因素調控多肽自組裝行為的認識，在熒光探針等生物醫藥領域具備潛在的應用價值。

南京大學2023級博士生王曉雨為論文的第一作者，楊玉欽博士和碩士生楊昊琨為論文的共同第一作者，董昊教授為論文的通訊作者。

董昊，南京大學匡亞明學院教授、博士生導師。研究領域是發展多尺度的理論計算方法并結合機器學習方法，用以準確、高效的處理復雜體系的結構、性質、變化規律及調控機制。已在Science、JACS、PNAS、Nat Commun、Angew Chemie等期刊發表論文七十余篇，獲批算法開發相關的計算機軟件著作權三項。先后入選南京大學登峰B、江蘇特聘教授、江蘇省優青等，主持多項國家級、省部級科研項目，曾榮獲“南京大學青年五四獎章”。