2025年7月31日，美国华盛顿大学蛋白质设计研究所（IPD）David Baker与王顺智团队在Nature Materials期刊发表题为“Bond-centric modular design of protein assemblies”的新成果，他们借鉴“化学键”理念，把蛋白质零件做成会自动对准方向的“磁性拼块”。同一套零件可反复拆搭、按需变形、轻松定制，为结构材料、活体传感和分子机器奠定基础。一次性打包生成20余种封闭笼体、二维薄片、三维晶格和动态重构网络，设计实验成功率最高可达50%。

受限于天然蛋白界面复杂性，尽管蛋白质从头设计已取得长足进展，现有策略仍难以在原子级精度下自由拼搭大尺度、多组分且可重构的纳米结构。原因在于：

1.方向不可控——零件若角度稍有偏差便无法正确配对或导致无序聚集；2.接口不通用——每换一种目标结构就需重新设计全部接点，费时耗力、难以量产。

化学键的“价数＋方向性＋键能”思想能产生丰富结构，但如何迁移至蛋白质组装仍是难题。为此，团队提出“以键为核心”（bond-centric）模块化概念：

图1：以键为核心”（bond-centric）模块化设计流程示意 （图1）。

借助深度学习生成模型（如RFdiffusion）与传统工具（WORMS）精准控制作用朝向形成“链接模块”。研究者把“谁连谁、角度多少度”写进拼装脚本，AI 即可生成自动“对号入座”的零件，实现乐高式自由拼搭。

主要成果

1.多层级架构库 （图2）

成功设计并验证20余种多组分多面体蛋白笼、二维阵列与三维晶格，实验成功率达10–50?%，电镜结构与模型高度吻合。

图2

2.零件复用与网络化组装（图3）

共享同一键模块的构筑单元可与不同伙伴快速重组合，构建星形、线形、环形等拓扑网络，大幅提升“经济造件”能力。

图3

3.动态可逆重构（图4）

基于共享构件，可实现笼体↔二维层的可控转换，揭示不同形态之间的能量与动力学偏好，为可编程纳米机械奠基。

图4

4.向复杂3D 晶格迈进（图5）

设计高配位“键心”后，进一步构筑F432 立方晶格，为构建高孔隙度蛋白晶体和功能化材料提供通路。

图5

开源积木库与潜在应用

研究数据、序列与设计脚本均已开源，全球科研人员可直接下载并二次创作：

1.组件扩展：增加更多配对角度、多价连接头，嵌入多样化活性位点；2.精准医疗：开发靶向递送平台；在受损组织中响应环境变化，实时调节力学或信号特性促进修复；3.合成生物学：在活细胞内排布催化或发光组件，实现逻辑运算与信号输出，可与 DNA 纳米技术互补。

标准化之后，蛋白质自组装真正成为“纳米乐高”——尺寸缩至十亿分之一米，却同样可复用、可扩展、可重构。该工作为智能生物材料与合成生物学应用打开了全新可能。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02297-5