上海交大董金桥/崔勇团队Nature Synthesis: 金属-多肽组装与折叠调控

2024年9月5日，国际学术期刊Nature Synthesis《自然·合成》刊发了上海交通大学化学化工学院董金桥副教授、崔勇讲席教授及合作者的一项重要研究成果，题为“Mechanically rigid metallopeptide nanostructures achieved by highly efficient folding”。这项研究为多肽长期以来在精准组装与折叠方面的科学难题提供了一种潜在的通用解决方案。上海交通大学化学化工学院、变革性分子前沿科学中心和金属基复合材料国家重点实验室为第一完成单位。上海交通大学董金桥副教授、崔勇讲席教授、上海交通大学医学院附属第一人民医院施雷雷研究员和英国布里斯托大学Anthony P. Davis教授为共同通讯作者；康幸博士为第一作者，王礼博士和博士生刘秉宇为共同一作；巩伟副教授和刘燕教授对数据分析讨论和论文撰写提供了深刻的见解与指导；杨帅亮博士在晶体结构解析做出了重要贡献。

自然界中的金属酶（Metalloenzyme）是一类具有高度精确结构和功能的生物大分子，它们依靠金属离子与多肽链的协同作用来催化复杂的生化反应。从化学和合成生物学的视角出发，通过将金属与多肽组装形成高度稳定的结构（Metallopeptide Nanostructure），不仅可以仿生模拟天然蛋白质和酶的精准结构与功能，还能够通过引入特定的非天然氨基酸，合成超高活性的金属-多肽生物材料。然而，金属与多肽的组装过程极为复杂，例如任意的酰胺键都可能与金属离子配位，这使得其组装结构几乎无法通过AlphaFold等工具进行精准预测，尤其是其折叠结构更难以调控。因此，金属-多肽的组装与折叠调控已成为配位化学、多肽化学、手性化学、材料化学以及合成生物学等交叉学科中最具挑战性的课题之一。其核心难点在于如何精准调控折叠结构以实现优异的生物稳定性，以及理解折叠结构如何影响其功能及作用机制。

在自然界里，多肽的正确折叠通常依赖于分子伴侣（Molecular Chaperones）的帮助，通过多次与分子伴侣结合和释放，多肽链逐步获得正确的折叠状态。然而，在合成化学体系中，高效调控多肽的折叠极为困难，往往导致多肽组装体形成无序结构，从而限制其物理和化学性能，尤其是机械性能，进而阻碍其实际应用。上海交通大学崔勇教授团队长期深耕于手性有序结晶组装（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.），针对以上科学问题，研究团队提出了一种“手性突变（Chirality Mutation）”策略，通过翻转肽链中氨基酸的手性，来促进金属-多肽的组装与折叠，从而提高其机械稳定性和生物功能。

图1.多肽配体的设计合成以及配位组装，通过手性调控策略促进金属-多肽索烃的折叠

 为了证明这一策略可行性，如图1所示，研究人员设计合成了一种同手性的多肽配体（LLP），该配体与高氯酸钴组装得到一种同手性、机械互锁的金属-多肽索烃结构（LLMPC-1）。单晶结构分析显示（图2a-c），多肽配体在结构中呈现非折叠（unfolding）构象，索烃结构通过四个分子间氢键使两个金属-多肽大环互锁稳定，最终形成一个二维平面结构。随后，将配体中的一个L-丙氨酸的手性翻转为D-构型，得到异手性多肽配体DLP。在相同的组装条件下，生成了异手性、机械互锁的金属-多肽索烃结构。单晶结构分析显示（图3a-c），在分子内氢键的作用下，异手性多肽配体呈现出高度折叠的构象，两个金属-多肽大环通过折叠形成了一个三维结构，并同时产生了两个具有仿酶作用的空腔。这些空腔通过芳环的疏水非极性效应与多肽的极性作用，提供了优异的客体分子识别微环境。不仅如此，这两种索烃异构体在空间堆积方式上也完全不同：LLMPC-1的三级结构呈现出21右手螺旋结构（螺距：2.3 nm），进一步堆积后其四级结构表现出类似淀粉样蛋白的二维层状结构（图2d-f）；而DLMPC-2的三级结构呈现61右手双螺旋结构（螺距：3.9 nm），其四级结构则展示出三维多孔框架结构，孔道直径约为0.8 nm（图3d-f）。

图2. 同手性金属-多肽索烃^LLMPC-1的X-射线单晶结构分析 

因此，通过手性调控可以将非折叠的金属-多肽索烃转变成高度折叠的异构体。尽管这两种结构的物质组成相同，但它们的物理和化学性质存在显著差异。通过一系列实验表征（如变温核磁共振、变温圆二色谱、紫外光谱等）以及理论计算，证实了异构体DLMPC-2较LLMPC-1具有更高的互锁结构稳定性。这种稳定性进一步反映在它们晶体的杨氏模量上，其中LLMPC-1的晶体杨氏模量为104.5 GPa，而异构体DLMPC-2的晶体杨氏模量为157.6 GPa。这个数值已经超过了绝大多数合成材料的杨氏模量，展现出其卓越的机械性能。

图3. 异手性金属-多肽索烃^DLMPC-2的X-射线单晶结构分析 

实验进一步表明，这种折叠互锁的结构有助于手性传递和放大，这一点在对细胞壁重要组成成分D-Ala-D-Ala的主客体识别中得到了体现。由于异构体DLMPC-2的折叠形成了两个结合空腔，对D-Ala-D-Ala的结合亲和力达到4.8 × 104 M-1，显著高于LLMPC-1的结合亲和力（2.3 × 104 M-1）（图4f）。在此基础上，实验还探讨了这两种索烃结构的抗菌性能，结果显示异构体DLMPC-2对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制效果均优于LLMPC-1（图4i），进一步验证了折叠结构对生物活性的重要影响。

图4. 金属-多肽索烃的手性特征、主客体化学以及抗菌性能研究

综上所述，崔勇教授团队通过手性调控，有效促进了金属-多肽组装过程中的折叠，形成了更加刚性和稳定的仿酶空腔结构，这一过程不仅增强了手性传递和放大效应，还显著提升了材料的机械力学性能和抗菌性能。这种通过在非折叠的L-多肽中引入D-氨基酸作为手性突变点，破坏原有的无规卷曲结构，使其转变成生物稳定的、有规则折叠的二级结构（如α-螺旋和β-折叠等），这一策略为长期困扰多肽精准组装与折叠的科学难题提供了一种通用且有效的解决方案，对推进配位化学、多肽化学及相关领域的发展具有重要意义，并为合成生物学中功能性生物材料的设计和开发提供了新的思路。 

该研究得到国家自然科学基金委、科技部和上海科委的资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s44160-024-00640-3