微生物所吳邊研究組在NSR發表無痕蛋白質酶法合成方法

蛋白質是所有生命的物質基礎,也是生物體行使功能最重要的載體。蛋白質的獲取與改造長久以來一直是生命科學研究的覈心問題之一。雖然經典重組表達科技能够提供天然蛋白質,但其所能利用的分子砌塊受到20種天然胺基酸的限制。

蛋白質是所有生命的物質基礎,也是生物體行使功能最重要的載體。蛋白質的獲取與改造長久以來一直是生命科學研究的覈心問題之一。雖然經典重組表達科技能够提供天然蛋白質,但其所能利用的分子砌塊受到20種天然胺基酸的限制。伴隨著蛋白質組學研究和生物醫藥產業的迅速發展,人們對於具有化學修飾與新型胺基單元的非天然蛋白質的需求與日俱增。囙此,突破生物學中心法則的限制,創造出任意結構的蛋白質,不僅可以拓展人們對蛋白質這一生命覈心元件的理解,也是人工設計生命的重要基礎,具有深刻的科學意義。

從化學本質分析,蛋白質是胺基單元通過碳氮成鍵反應形成的生物大分子。囙此,蛋白質的人工合成關鍵在於碳氮成鍵反應的精准控制。近年來,以多肽固相合成與特异性拼接為覈心的蛋白質合成和修飾科技蓬勃發展,打破了核糖體合成系統僅能使用天然及少數非天然胺基酸的瓶頸。蛋白質人工合成科技能實現各種類型的化學修飾,拓寬了人類在原子水准上人工構築蛋白質的可能性。然而,現時主流的多肽拼接方法均需設計特殊的連接位點,在連接位點處留下相應的“疤痕”。

圖1現時主流多肽拼接方法在連接位點處留下“疤痕”(圖中灰色胺基酸)

中科院微生物研究所吳邊研究員的團隊長期從事基於計算的微生物碳氮成鍵酶的機制解析與設計重構工作。近日,該團隊與費森尤斯集團合作在National Science Review報導了他們關於無痕蛋白質酶法合成平臺PALME的研究成果。該平臺基於合成生物學理念,對微生物酶資源進行深度挖掘與大尺度計算重塑設計,圍繞複雜體系下的碳氮成鍵反應,串聯多個催化元件,可以對不同來源的多肽鏈進行活化和無痕拼接,進而實現完整蛋白質的酶法合成。

PALME平臺由上游的活化模塊和下游的連接模塊組成。該平臺對底物序列無特定限制,能够以固相合成多肽、重組表達的天然蛋白質等作為輸入;僅需在C端引入一個額外甘氨酸,即可由多肽氧化酶、裂解酶和修飾酶共同組成的活化模塊對C-端甘氨酸定向無痕活化;活化後的多肽隨即被下游的連接模塊所識別,在廣譜人工多肽連接酶(Peptiligase系列酶)的催化作用下,與另一多肽完成拼接。該平臺選用的催化元件具有高度的位置選擇性,囙此能够合成N/C端修飾蛋白質、中段修飾蛋白質、環狀蛋白質等各種結構的蛋白質,為人工蛋白質合成提供全域解決方案。

圖2多重輸入、輸出的PALME平臺

為展示PALME平臺的能力,該團隊合成了一系列重要的藥物多肽與非天然蛋白質。在新型糖尿病藥物艾塞那肽的全合成案例中,首次實現了固相合成多肽的N-to-C酶法級聯組裝。在環化合成實驗中,實現了無天然環化酶識別位點的SMAP抗菌肽環化。在功能蛋白的半合成實驗中,該團隊成功將化學合成片段與重組蛋白質拼裝,所獲得的半合成異構酶表現出與完整重組酶等效的催化活性。此外,他們還展示了極具挑戰的蛋白質雙向連接,將化學合成的多肽的兩端分別與其他重組蛋白質進行拼裝,實現了無自然化學連接位點的乙醯化修飾蛋白質的合成,成功的擴展了蛋白質人工合成的應用空間。

圖3全合成案例:(上)降血糖藥物艾塞那肽;(下)環狀SMAP抗菌肽

圖4半合成案例:(左)互變異構酶;(右)乙醯化熱休克蛋白mHSP10

近年來,人工智慧科技對蛋白質結構預測與功能設計領域產生了顛覆性的影響。合成生物學家開始突破天然胺基酸的限制,將高階的化學變化引入到蛋白質的設計空間中。該平臺為非天然功能蛋白質的構築提供了工具,為擴展人類設計、合成生物大分子元件的能力提供了支撐。

中國科學院微生物研究所的高級工程師李瑞峰、博士研究生朱彤以及費森尤斯的Schmidt博士為該研究的共同第一作者,費森尤斯的Nuijens博士與微生物所吳邊研究員為共同通訊作者。該工作的完成還得到微生物研究所方敏研究員與嚴景華研究員的大力協助。該項研究得到了國家重點研發計畫合成生物學專項、國家自然科學基金優秀青年基金項目、中國科學院先導專項、戰畧生物資源服務網絡計畫生物資源衍生庫、前沿科學研究計畫“從0到1”原始創新項目的支持。

論文連結:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab158

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