近日，我校食品营养与安全国家重点实验室王书军教授团队在热加工诱导食品生物大分子互作自组装形成纳米聚集体研究领域取得重要突破，在化学领域一区Top期刊 Aggregate (IF:18.8)上发表题为“Interaction between amylose, fatty acid, and β-lactoglobulin to study multiple biomacromolecules self-assembly and application”的研究论文（https://doi.org/10.1002/agt2.536）。重点实验室晁琛副教授为论文第一作者，王书军教授为唯一通讯作者。该方法构建的纳米微球聚集体及相关应用也已申请多项发明专利。
分子自组装是生命科学最本质的内容之一，生物体系可以精准地利用非共价键相互作用形成高度有序的功能组装体。受大自然启发，探索利用生物大分子（碳水聚合物、蛋白质、脂质）自组装构建包括超分子聚合物在内的多功能纳米聚集体成为高分子化学和材料学领域的前沿热点。然而，仅使用单一种类生物大分子作为构件限制了具有复杂结构和多样化功能自组装聚集体的开发。由于不同种类生物大分子之间往往在化学和结构上不相容，基于多元生物大分子互作及自组装构筑具有多样且可控功能的纳米聚集体结构仍面临重大挑战，相关研究对于新型生物分子材料的开发具有重要意义。
前期研究大多聚焦于生物大分子间二元非共价相互作用及复合物的形成与应用。例如，多糖-蛋白质复合物被广泛用于药物及生物活性成分的递送载体等。多糖（尤其是一些线性葡聚糖）可以与脂质通过主−客体络合形成复合物，淀粉作为自然界中最丰富的多糖来源之一，其中直链淀粉能够与脂质形成复合物并堆积成微米级聚集体，具有V-型晶体结构以及良好的淀粉酶抗性和肠道发酵特性。然而，由于直链淀粉-脂质复合物较低的溶解度和易聚集特性，很大程度上限制了其自组装纳米颗粒的构建与应用。相比之下，人们对于直链淀粉、脂质和蛋白质之间潜在且更为复杂的三元相互作用及自组装的认识仍十分有限。
为深入了解多元生物大分子间如何相互作用形成复合物及其是否/如何进一步组装成为有序的聚集体结构，课题组以直链淀粉（AM）、月桂酸（LA）和β-乳球蛋白（βLG）为研究对象，报道了一种基于DMSO/水体系热诱导AM-LA-βLG复合物形成及自组装纳米微球聚集体模型（图1a）。研究发现，相比于AM和AM-LA二元体系，AM-LA-βLG三元体系沉淀及上清液（乙醇醇沉）组分均由尺寸均一、直径为460 nm左右的纳米微球构成（图1b），而直接冷冻干燥的AM-LA-βLG上清液则不存在纳米微球（图1c）。随后通过凝胶渗透色谱等证实了AM-LA-βLG水溶性三元复合物的形成，其在较高浓度或醇沉条件下能够有序排列并自组装为三元复合物纳米微球。三元复合物纳米微球的热稳定性及结构有序性相比于AM-LA复合物聚集体较弱。AM与LA之间的疏水相互作用和范德华力，以及AM与βLG之间的范德华力和氢键是三元复合物形成的主要驱动力（图2a）。
图1. 热诱导AM-LA-βLG聚集体的制备及表征
AM-LA-βLG复合物纳米微球聚集体比AM-LA复合物聚集体具有更高的淀粉酶抗性，暗示其可能具有更好地改善肠道健康的作用。体外模拟结肠发酵实验发现AM-LA-βLG复合物纳米微球在调节肠道菌群组成及短链脂肪酸（尤其是丁酸）生成方面展示出良好的作用。与AM-LA复合物聚集体相比，AM-LA-βLG纳米微球能够选择性促进产丁酸菌属（ Roseburia 和 Ruminococcus torque ）的增殖以及更多丁酸的生成。因此，AM-LA-βLG复合物纳米微球相比于AM-LA复合物聚集体具有更好的肠道益生特性（图2b）。
图2. AM-LA-βLG复合物形成与自组装（a）及其纳米颗粒的体外小肠消化与结肠发酵特性（b）
本项研究基于多元生物大分子互作成功构建了纳米微球聚集体结构，并初步揭示了多元生物大分子在可控条件下从分子到复合物再到纳米微球聚集体结构背后的复杂机制。为基于多元生物大分子自组装纳米聚集体结构及其多样化功能的理性设计与精准调控提供了重要理论基础。该研究工作是在国家自然科学基金重点项目（32030084）和青年科学基金（32202053）等项目的资助下完成的。
