人工生物分子材料和系统具有长期的潜力，能带来全新的可持续和可降解材料、动态可调谐传感器、新型自主医疗干预以及新的能源生产和转换模式。

  系统化学是研究相互作用分子网络的科学，从一组 （或库） 具有不一样层次和涌现特性的分子中创建新功能。多肽是复杂化学系统的重要组成部分。

  超分子肽系统领域将系统化学与肽纳米技术相结合。肽和蛋白质纳米技术利用生物分子折叠和组装的能力来创建具有设计功能的材料和结构。在该领域，最终目标通常是简化或重新利用生物分子结构作为纳米级设备和材料的组件，用于生物医学、环境和技术应用。

  肽基超分子系统化学已开始解决系统级设计的更大挑战，在协调和整合多个反应和相互作用时承担复杂的功能。该方法涉及降低（与其生物学对应物相比）单个构建块（设计肽而不是蛋白质）的复杂性，并研究它们的多组分相互作用怎么样产生新结构。

  内在固有无序蛋白(IDPs)被认为在真核生物中都会存在，其特征是不具有特定的二级或三级结构，而是在各种构象之间波动。即使是简单的肽在调节有序/无序和相应的机械性能方面也具有令人难以置信的通用性，从晶体、凝胶、液体冷凝物和溶液的整个结构范围都适用。 尽管肽超分子结构在很大程度上是由许多相对较弱的分子间力共同作用保持在一起的，但它们的联合作用可以产生一些惊人的宏观力学性能。

  FF(1) （单芳香族氨基酸（F）） 纳米管因其大多数来源于纳米管中的密集芳香拉链基序的色散力而有着高刚性。

  除了氨基酸组成之外，折叠肽结构和无序肽结构之间的一个关键结构不同之处在于前者通常由导致特定二级和三级结构的保守氢键基序主导，而后者通过由非结构化结构域分隔的氨基酸侧链功能模式瞬时相互作用 （stickers和spacers，图1A）[1] 。

  在对冷凝物的合理设计进行研究时发现，阳离子肽(Lys)n或(Arg)n和阴离子肽(Asp)n或(Glu)n （长度范围(n=1,5,10,30或100) 组合在一起 (图1B) 时，最短的寡聚物溶液混合均匀，而最长的寡聚物形成固体聚集体 (图1C−E) [2] 。

  最近的研究表明，冷凝物是导致淀粉样变性疾病的蛋白质聚集体的关键中间体。这表明不仅冷凝物介导的聚集体可能是一种一般途径，而且原则上它可以在未来的生物材料设计中被利用或作为模型系统来更好地了解疾病状态。

  共组装已成为将两种 （或多种） 肽或肽与其他合成材料组合，功能和特性融合在一起的一种策略。在可调机械性能的背景下，自分类组装通常是最理想的，其中两个组件分别自组装成非常接近的不同结构，通常通过形成更密集的网络来提高刚度。Fmoc-FF(10)与Fmoc-S(11)共组装产生的纳米纤维具有与Fmoc-FF相同的富含β-折叠的分子结构，极性S残基以核壳形态显示在纤维表面 (图2A,B)[3] 。

  肽序列（组合）的发现依赖于组合实验或建模方法。低对称性大环结构的获得，让人联想到蛋白质结构的折叠复杂性，特别是在空间和动态拓扑结构中，当许多类似的弱力同时起作用时，只有一个最终的首选折叠方案 （图3B）[4] 。伪肽库方法在推动材料的驱动搜索方面也至关重要，这些材料侧重于库的行为而不是结果。在醛取代的伪肽库实验中，以四氢-4-嘧啶酮为动态框架，观察动态反应如何演变为多相化学网络 （图3C） 。这些网络阐明了超分子环境中物种的进化，这些产物的最终结果是形成类淀粉样聚集体 （图3C，D）

  作为质子化或甲基化的替代方案，碳二亚胺燃料激活羧酸的能力可用于将两个末端羧酸盐 （一个由肽的主链提供，另一个由侧链提供） 转化为分子内酸酐，作为易于自组装的反应产物 （图4G，H）[5] 。通过映射多肽两亲性分子的序列空间，可以扩展对纳米结构形成的时间控制能力（图4I-K）[6] 。 在代谢途径中，可逆反应通常由成对的正交酶催化。例如，可以在带正电荷的肽(RRASL)1-3(34)和聚URNA (图4L-O) 之间实现冷凝物的瞬时形成 [7] 。生命系统通过对外部刺激做出自主反应，显示出很有效的形状变化现象。

  在模拟蛋白质的结构和功能特性方面有很强大的作用。它们能比整个蛋白质更有效地被研究、建模和设计。设计电/光活性结构的一种方法是利用芳香族氨基酸的固有特性，有时与带电残基结合，形成能够最终靠其纳米结构传输电荷或光子能量的组件。Reddy等人研究了KYY(40)三肽组合中的质子传输以及随后在酶氧化形式中的质子传输，其中沿纤维长度的Y残基之间的共价连接通过形成多酚一维纳米纤维明显地增强了电导率。通过在不同的相对湿度下进行电气测量，证实了PTp是主要的传导机制 [8] 。

  在生物体中，大多数电子和光子转移过程是由结合大环生色团的蛋白质介导的，由此产生电荷迁移和光合作用等特性。仿生肽结构也利用了共价或非共价的发色团缀合，以增强其固有特性或引入新功能。卟啉的仿生结构和有机电子学的完全合成结构被用于电荷传输和人工光收集的应用已有研究。芳族π共轭单元，如萘二酰亚胺 (NDI) 和噻吩 （图5A） 很适合超分子电子学，因为它们强烈的分子间相互作用有助于自组装。 光合作用是在生物体中进行的光收集过程。自组装肽作为良好的基质用于共组装发色团以将光转化为更有用的形式。一种多发色团自组装系统能从光中吸收能量并将其应用于电子转移 （图5E-G） 。

  新陈代谢的关键作用是生物有机体将环境中的资源转化为能量。基肽的超分子系统化学的下一步是开发代谢系统化学，对能量收集、化学信号传导、相互作用和隔间转化的整体进行研究，以及驱动化学过程的反馈调节。经过控制响应特定化学信号的动态和分层行为，证明了超分子结构的复杂性及其在宏观性质中的表现，这表明自发的分层组织完全由平衡的非共价相互作用控制 （图6A-C） 。一种氨基酸编码的生物催化自组装，用于对超分子结构和功能进行时间控制。该设计由一个半导体NDI（图6D） 核心组成。

  氨基酸的化学性质编码了与时间相关的化学和超分子轨迹 （图6E） ，然而，在其他氨基酸的存在下，会产生永久性的右旋管状纳米结构（图6F） 。 Santiago等人报道了一种自我复制系统 [9] ，该系统利用外部能量来执行原始代谢过程。化学设计由基于GLKFK肽基二硫酚前体 (X) 组成，其在可逆氧化后形成自我复制的六聚二硫大环 （图6H，X6） 。自我复制因子的组装能结合玫瑰红 （RB，图6G） 和卟啉染料 （Por） 等光敏剂。氧化速率可提高2.3倍 （图6I） ，这主要是由于共组装时染料的光催化活性的增强和自复制组装疏水袋内溶解度的提高。

  人工生物分子材料和系统具有长期的潜力，能带来全新的可持续和可降解材料、动态可调谐传感器、新型自主医疗干预以及新的能源生产和转换模式。随着计算设计的逐步发展，改进的分析技术能够更好地处理复杂系统、异质和动态自适应混合物，再加上自动化和人工智能的贡献，肽基的系统化学将产生生物学尚未探索的新解决方案和见解。