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自然界中天然拓撲蛋白質(zhì)所特有的功能優(yōu)勢不斷激勵著研究者們?nèi)ラ_發(fā)各類人工拓撲蛋白質(zhì)并探索其應(yīng)用價值。近年來，通過合理設(shè)計和工程改造拓展蛋白質(zhì)拓撲結(jié)構(gòu)的多樣性，探究拓撲結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系及其在酶催化和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用，已經(jīng)成為蛋白質(zhì)工程的一個新方向。天然套索肽/套索蛋白質(zhì)所具有的獨特套索構(gòu)型賦予了它們廣泛的生物活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性，但是由于難以控制蛋白質(zhì)的分子內(nèi)鏈纏結(jié)以及協(xié)同的位點特異性偶聯(lián)，套索蛋白質(zhì)的人工設(shè)計和合成仍然是一個較大的難題。

近日，北京大學(xué)張文彬課題組基于組裝-反應(yīng)協(xié)同的策略，通過合理的基因設(shè)計成功實現(xiàn)了套索蛋白質(zhì)的生物合成。該策略將p53dim結(jié)構(gòu)域的分子間二聚轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿觾?nèi)二聚來導(dǎo)向分子內(nèi)鏈纏結(jié)的形成，結(jié)合諜標簽-諜捕手反應(yīng)對介導(dǎo)的定點環(huán)化，即可在胞內(nèi)高效地合成套索蛋白質(zhì)。實驗表明這是一種簡單高效的套索蛋白質(zhì)模塊化合成策略。通過基因編碼，可在不影響套索結(jié)構(gòu)形成的前提下，對其骨架結(jié)構(gòu)進行修飾，包括改變環(huán)區(qū)的大小、插入反應(yīng)性序列、在套索蛋白質(zhì)的C-端插入折疊蛋白質(zhì)等。同時，套索蛋白質(zhì)可作為反應(yīng)前體，利用可控的鍵斷裂和鏈連接反應(yīng)，通過拓撲轉(zhuǎn)換構(gòu)建蛋白質(zhì)輪烷和異質(zhì)索烴，進一步拓展了蛋白質(zhì)拓撲結(jié)構(gòu)的多樣性。另外，p53dim結(jié)構(gòu)域折疊-解折疊的特性賦予了套索蛋白質(zhì)獨特的動態(tài)特性，使其可在“穿環(huán)”的套索結(jié)構(gòu)和“出環(huán)”的支化環(huán)狀結(jié)構(gòu)之間相互轉(zhuǎn)化；而與之相應(yīng)的蛋白質(zhì)準輪烷結(jié)構(gòu)則可以作為前體構(gòu)建蛋白質(zhì)滑環(huán)水凝膠。相比于由套索蛋白質(zhì)構(gòu)建的“固定環(huán)”水凝膠，滑環(huán)水凝膠表現(xiàn)出完全不同的應(yīng)力響應(yīng)行為以及顯著提高的溶脹比。由于兩種網(wǎng)絡(luò)組成相同而拓撲結(jié)構(gòu)迥異，它們的性質(zhì)不同體現(xiàn)了拓撲的結(jié)構(gòu)效應(yīng)?？偟恼f來，該工作通過控制分子內(nèi)的鏈纏結(jié)實現(xiàn)了套索蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)異質(zhì)索烴的模塊化合成，為拓撲蛋白質(zhì)的構(gòu)建提供了新的思路，豐富了現(xiàn)有的拓撲蛋白質(zhì)庫，同時也為構(gòu)建相應(yīng)的蛋白質(zhì)基拓撲材料打下堅實的基礎(chǔ)。

圖1. 通過分子內(nèi)纏結(jié)介導(dǎo)套索蛋白質(zhì)的生物合成，并以其為前體利用拓撲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換構(gòu)建蛋白質(zhì)輪烷、異質(zhì)索烴和蛋白質(zhì)基滑環(huán)水凝膠

該研究近期在線發(fā)表于Angew. Chem. Int. Ed.，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士生劉雅杰為該論文的第一作者。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院張文彬教授和韓國浦項科技大學(xué)Jongcheol Seo教授為共同通訊作者。東華大學(xué)先進低維材料中心劉庚鑫研究員在蛋白質(zhì)水凝膠的流變學(xué)研究上提供了重要幫助。該工作得到國家自然科學(xué)基金、北京分子科學(xué)國家研究中心創(chuàng)新項目和北京大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)+X青年專項項目的支持。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202006727