東京工業大學生命理工學院生命理工學系的研究生菊池幸祐、上野隆史教授和古田忠臣助教組成的研究團隊，與九州大學研究生院理學研究院的前多裕介副教授和福山達也研究員（當時），以及名古屋大學/自然科學研究機構生命創成探究中心的内橋貴之教授的研究團隊合作，透過重組蛋白質成分成功地形成了所需要的奈米圖案。
圖1：程式化分子自發形成奈米圖案的示意圖（提供：東京工業大學）
儘管蛋白質作爲源自生物體的新一代奈米材料備受期待，但其聚集形成圖案的機制很複雜，難以自由設計。
研究團隊此前對擁有剛體部分的棒狀蛋白質PN進行研究，發現PN的兩端可以自由改造，透過設計PN兩端的連接，可以形成各種二維圖案。
具體來說，研究團隊共設計了以下3種PN：擁有擴展到兩端的組胺酸標籤（His-tag）簇的rPN、兩端被Foldon結構域覆蓋無法形成連接的rPN-ΔHis，以及因疎水性β摺疊擁有平滑末端的rPN-ΔTip。
利用高速原子力顯微鏡觀察設計的3種PN發現，分別形成了三角形奈米晶格、並排狀態以及纖維結構，表明透過PN末端的結構設計可以控制形成的二維奈米圖案。
另外，研究團隊還直接觀察到了單個末端結合的rPN邊以樞軸爲軸心大幅旋轉邊尋找結合物件排列的程序，並且捕捉到了PN在齊頭並進和旋轉的程序中相互聚集的情況，表明奈米圖案的形成程序中存在着蛋白質的動態運動。
圖2：透過設計棒狀蛋白質的末端設計二維奈米圖案的概念圖（供圖：東京工業大學）
研究團隊根據在這些實驗中觀察到的運動性構建理論模式，實施了蒙地卡羅模擬。由此應答，根據PN末端的不同，最終的奈米圖案會發生巨大變化，與實驗結果高度一致。
上野教授表示：「利用此次透過觀察實驗和理論類比明確的排列機制，有望創造出像鳥羣或魚羣一樣處理蛋白質的分子羣機器人。另外，透過豐富聚集的蛋白質成分並使其混合，還有望開發出具有意想不到的新結構和功能的智慧型材料。」
論文：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)
【詞注】
智慧型材料：可以感知和判斷周圍的環境與刺激，並在此基礎上採取適當行動的功能材料。
組胺酸標籤簇：20種氨基酸之一的組胺酸6個連接在一起即爲組胺酸標籤，而在rPN中，每個末端各有3個組胺酸標籤，合計有18個組胺酸，因此稱爲組胺酸標籤簇。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
