上海交大董金橋/崔勇團(tuán)隊(duì)Nature Synthesis: 金屬-多肽組裝與折疊調(diào)控
日期：2024-09-06
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2024年9月5日，國(guó)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(xiàng)重要研究成果，題為“Mechanically rigid metallopeptide nanostructures achieved by highly efficient folding”。這項(xiàng)研究為多肽長(zhǎng)期以來(lái)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)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(duì)數(shù)據(jù)分析討論和論文撰寫(xiě)提供了深刻的見(jiàn)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(xiàn)。
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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)法通過(guò)AlphaFold等工具進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，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(diǎn)在于如何精準(zhǔn)調(diào)控折疊結(jié)構(gòu)以實(shí)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(jī)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(guò)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(wú)序結(jié)構(gòu)，從而限制其物理和化學(xué)性能，尤其是機(jī)械性能，進(jìn)而阻礙其實(shí)際應(yīng)用。上海交通大學(xué)崔勇教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)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(duì)以上科學(xué)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種“手性突變（Chirality Mutation）”策略，通過(guò)翻轉(zhuǎn)肽鏈中氨基酸的手性，來(lái)促進(jìn)金屬-多肽的組裝與折疊，從而提高其機(jī)械穩(wěn)定性和生物功能。
圖1.多肽配體的設(shè)計(jì)合成以及配位組裝，通過(guò)手性調(diào)控策略促進(jìn)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(jì)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(jī)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(guò)四個(gè)分子間氫鍵使兩個(gè)金屬-多肽大環(huán)互鎖穩(wěn)定，最終形成一個(gè)二維平面結(jié)構(gòu)。隨后，將配體中的一個(gè)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(jī)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(gè)金屬-多肽大環(huán)通過(guò)折疊形成了一個(gè)三維結(jié)構(gòu)，并同時(shí)產(chǎn)生了兩個(gè)具有仿酶作用的空腔。這些空腔通過(guò)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(shí)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(jí)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出21右手螺旋結(jié)構(gòu)（螺距：2.3 nm），進(jìn)一步堆積后其四級(jí)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(jí)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(jí)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(guò)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(guò)一系列實(shí)驗(yàn)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(jì)算，證實(shí)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(jìn)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(gè)數(shù)值已經(jīng)超過(guò)了絕大多數(shù)合成材料的楊氏模量，展現(xiàn)出其卓越的機(jī)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(shí)驗(yàn)進(jìn)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(diǎn)在對(duì)細(xì)胞壁重要組成成分D-Ala-D-Ala的主客體識(shí)別中得到了體現(xiàn)。由于異構(gòu)體DLMPC-2的折疊形成了兩個(gè)結(jié)合空腔，對(duì)D-Ala-D-Ala的結(jié)合親和力達(dá)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(jìn)一步驗(yàn)證了折疊結(jié)構(gòu)對(duì)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(tuán)隊(duì)通過(guò)手性調(diào)控，有效促進(jìn)了金屬-多肽組裝過(guò)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(guò)程不僅增強(qiáng)了手性傳遞和放大效應(yīng)，還顯著提升了材料的機(jī)械力學(xué)性能和抗菌性能。這種通過(guò)在非折疊的L-多肽中引入D-氨基酸作為手性突變點(diǎn)，破壞原有的無(wú)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(jí)結(jié)構(gòu)（如α-螺旋和β-折疊等），這一策略為長(zhǎng)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(duì)推進(jìn)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(jì)和開(kāi)發(fā)提供了新的思路。
該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和上海科委的資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44160-024-00640-3
