2024年9月5日,國際學(xué)術(shù)期刊Nature Synthesis《自然·合成》刊發(fā)了上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院董金橋副教授、崔勇講席教授及合作者的一項重要研究成果,題為“Mechanically rigid metallopeptide nanostructures achieved by highly efficient folding”。這項研究為多肽長期以來在精準(zhǔn)組裝與折疊方面的科學(xué)難題提供了一種潛在的通用解決方案。上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、變革性分子前沿科學(xué)中心和金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室為第一完成單位。上海交通大學(xué)董金橋副教授、崔勇講席教授、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一人民醫(yī)院施雷雷研究員和英國布里斯托大學(xué)Anthony P. Davis教授為共同通訊作者;康幸博士為第一作者,王禮博士和博士生劉秉宇為共同一作;鞏偉副教授和劉燕教授對數(shù)據(jù)分析討論和論文撰寫提供了深刻的見解與指導(dǎo);楊帥亮博士在晶體結(jié)構(gòu)解析做出了重要貢獻。
自然界中的金屬酶(Metalloenzyme)是一類具有高度精確結(jié)構(gòu)和功能的生物大分子,它們依靠金屬離子與多肽鏈的協(xié)同作用來催化復(fù)雜的生化反應(yīng)。從化學(xué)和合成生物學(xué)的視角出發(fā),通過將金屬與多肽組裝形成高度穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)(Metallopeptide Nanostructure),不僅可以仿生模擬天然蛋白質(zhì)和酶的精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)與功能,還能夠通過引入特定的非天然氨基酸,合成超高活性的金屬-多肽生物材料。然而,金屬與多肽的組裝過程極為復(fù)雜,例如任意的酰胺鍵都可能與金屬離子配位,這使得其組裝結(jié)構(gòu)幾乎無法通過AlphaFold等工具進行精準(zhǔn)預(yù)測,尤其是其折疊結(jié)構(gòu)更難以調(diào)控。因此,金屬-多肽的組裝與折疊調(diào)控已成為配位化學(xué)、多肽化學(xué)、手性化學(xué)、材料化學(xué)以及合成生物學(xué)等交叉學(xué)科中最具挑戰(zhàn)性的課題之一。其核心難點在于如何精準(zhǔn)調(diào)控折疊結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)優(yōu)異的生物穩(wěn)定性,以及理解折疊結(jié)構(gòu)如何影響其功能及作用機制。
在自然界里,多肽的正確折疊通常依賴于分子伴侶(Molecular Chaperones)的幫助,通過多次與分子伴侶結(jié)合和釋放,多肽鏈逐步獲得正確的折疊狀態(tài)。然而,在合成化學(xué)體系中,高效調(diào)控多肽的折疊極為困難,往往導(dǎo)致多肽組裝體形成無序結(jié)構(gòu),從而限制其物理和化學(xué)性能,尤其是機械性能,進而阻礙其實際應(yīng)用。上海交通大學(xué)崔勇教授團隊長期深耕于手性有序結(jié)晶組裝(Nature 2022, 602, 606–611;Nature Chemistry 2024, 16, 1398–1407;Chem. Rev., 2022, 122, 9078–9144;Acc. Chem. Res., 2021, 54, 194–206;Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 6248–6272.),針對以上科學(xué)問題,研究團隊提出了一種“手性突變(Chirality Mutation)”策略,通過翻轉(zhuǎn)肽鏈中氨基酸的手性,來促進金屬-多肽的組裝與折疊,從而提高其機械穩(wěn)定性和生物功能。
圖1.多肽配體的設(shè)計合成以及配位組裝,通過手性調(diào)控策略促進金屬-多肽索烴的折疊
為了證明這一策略可行性,如圖1所示,研究人員設(shè)計合成了一種同手性的多肽配體(LLP),該配體與高氯酸鈷組裝得到一種同手性、機械互鎖的金屬-多肽索烴結(jié)構(gòu)(LLMPC-1)。單晶結(jié)構(gòu)分析顯示(圖2a-c),多肽配體在結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)非折疊(unfolding)構(gòu)象,索烴結(jié)構(gòu)通過四個分子間氫鍵使兩個金屬-多肽大環(huán)互鎖穩(wěn)定,最終形成一個二維平面結(jié)構(gòu)。隨后,將配體中的一個L-丙氨酸的手性翻轉(zhuǎn)為D-構(gòu)型,得到異手性多肽配體DLP。在相同的組裝條件下,生成了異手性、機械互鎖的金屬-多肽索烴結(jié)構(gòu)。單晶結(jié)構(gòu)分析顯示(圖3a-c),在分子內(nèi)氫鍵的作用下,異手性多肽配體呈現(xiàn)出高度折疊的構(gòu)象,兩個金屬-多肽大環(huán)通過折疊形成了一個三維結(jié)構(gòu),并同時產(chǎn)生了兩個具有仿酶作用的空腔。這些空腔通過芳環(huán)的疏水非極性效應(yīng)與多肽的極性作用,提供了優(yōu)異的客體分子識別微環(huán)境。不僅如此,這兩種索烴異構(gòu)體在空間堆積方式上也完全不同:LLMPC-1的三級結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出21右手螺旋結(jié)構(gòu)(螺距:2.3 nm),進一步堆積后其四級結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出類似淀粉樣蛋白的二維層狀結(jié)構(gòu)(圖2d-f);而DLMPC-2的三級結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)61右手雙螺旋結(jié)構(gòu)(螺距:3.9 nm),其四級結(jié)構(gòu)則展示出三維多孔框架結(jié)構(gòu),孔道直徑約為0.8 nm(圖3d-f)。
圖2. 同手性金屬-多肽索烴LLMPC-1的X-射線單晶結(jié)構(gòu)分析
因此,通過手性調(diào)控可以將非折疊的金屬-多肽索烴轉(zhuǎn)變成高度折疊的異構(gòu)體。盡管這兩種結(jié)構(gòu)的物質(zhì)組成相同,但它們的物理和化學(xué)性質(zhì)存在顯著差異。通過一系列實驗表征(如變溫核磁共振、變溫圓二色譜、紫外光譜等)以及理論計算,證實了異構(gòu)體DLMPC-2較LLMPC-1具有更高的互鎖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定性進一步反映在它們晶體的楊氏模量上,其中LLMPC-1的晶體楊氏模量為104.5 GPa,而異構(gòu)體DLMPC-2的晶體楊氏模量為157.6 GPa。這個數(shù)值已經(jīng)超過了絕大多數(shù)合成材料的楊氏模量,展現(xiàn)出其卓越的機械性能。
圖3. 異手性金屬-多肽索烴DLMPC-2的X-射線單晶結(jié)構(gòu)分析
實驗進一步表明,這種折疊互鎖的結(jié)構(gòu)有助于手性傳遞和放大,這一點在對細胞壁重要組成成分D-Ala-D-Ala的主客體識別中得到了體現(xiàn)。由于異構(gòu)體DLMPC-2的折疊形成了兩個結(jié)合空腔,對D-Ala-D-Ala的結(jié)合親和力達到4.8 × 104 M-1,顯著高于LLMPC-1的結(jié)合親和力(2.3 × 104 M-1)(圖4f)。在此基礎(chǔ)上,實驗還探討了這兩種索烴結(jié)構(gòu)的抗菌性能,結(jié)果顯示異構(gòu)體DLMPC-2對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制效果均優(yōu)于LLMPC-1(圖4i),進一步驗證了折疊結(jié)構(gòu)對生物活性的重要影響。
圖4. 金屬-多肽索烴的手性特征、主客體化學(xué)以及抗菌性能研究
綜上所述,崔勇教授團隊通過手性調(diào)控,有效促進了金屬-多肽組裝過程中的折疊,形成了更加剛性和穩(wěn)定的仿酶空腔結(jié)構(gòu),這一過程不僅增強了手性傳遞和放大效應(yīng),還顯著提升了材料的機械力學(xué)性能和抗菌性能。這種通過在非折疊的L-多肽中引入D-氨基酸作為手性突變點,破壞原有的無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu),使其轉(zhuǎn)變成生物穩(wěn)定的、有規(guī)則折疊的二級結(jié)構(gòu)(如α-螺旋和β-折疊等),這一策略為長期困擾多肽精準(zhǔn)組裝與折疊的科學(xué)難題提供了一種通用且有效的解決方案,對推進配位化學(xué)、多肽化學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義,并為合成生物學(xué)中功能性生物材料的設(shè)計和開發(fā)提供了新的思路。
該研究得到國家自然科學(xué)基金委、科技部和上??莆馁Y助。
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