分子自組裝普遍存在于自然界和生命體中。通過“自下而上”的自組裝策略，科學(xué)家可以構(gòu)建結(jié)構(gòu)多樣的功能材料，并廣泛應(yīng)用于材料、藥物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。為了控制自組裝結(jié)構(gòu)的形成，科學(xué)家通常會(huì)引入外界刺激，如pH、溫度、光照等。其中，酶作為一種天然的生物分子，被廣泛應(yīng)用于體內(nèi)外的酶促組裝。
然而，如何在環(huán)境復(fù)雜的活細(xì)胞內(nèi)，對(duì)酶促組裝進(jìn)行時(shí)間和空間維度上的精準(zhǔn)控制，目前仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
近日，西湖大學(xué)的王懷民研究員團(tuán)隊(duì)通過在分子水平上，給酶底物分子裝上分子剎車片，利用細(xì)胞溶酶體內(nèi)特有的酸性環(huán)境調(diào)控分子剎車片，構(gòu)建一種全新的多層級(jí)組裝策略，在活細(xì)胞中同時(shí)實(shí)現(xiàn)酸催化水解和酶促組裝，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)組裝體在特定細(xì)胞器內(nèi)的精準(zhǔn)形成。
首先，通過合理設(shè)計(jì)，作者在熒光多肽分子上引入雙（二甲基氨基）磷酸，體外酶解和水解實(shí)驗(yàn)證明，在雙（二甲基氨基）的保護(hù)下，多肽分子不會(huì)發(fā)生酶解。只有在酸性條件下，P-N鍵會(huì)發(fā)生斷裂，暴露出酶促反應(yīng)底物。進(jìn)一步，在酸性磷酸酶（ACP）的作用下，多肽分子會(huì)進(jìn)一步發(fā)生酶解，形成自組裝多肽。冷凍電鏡結(jié)果證明，酸解及酶解的進(jìn)行可以促進(jìn)納米纖維的形成。 進(jìn)一步，將雙（二甲基氨基）保護(hù)的多肽分子與過量表達(dá)堿性磷酸酶（ALP）的人成骨肉瘤細(xì)胞（Saos-2）共孵育，激光共聚焦顯微鏡（CLSM）觀察發(fā)現(xiàn)，綠色熒光大都位于溶酶體中，而沒有該基團(tuán)保護(hù)的多肽分子則會(huì)在細(xì)胞膜上聚集。生物電鏡進(jìn)一步證明了雙（二甲基氨基）保護(hù)的多肽分子可以在溶酶體內(nèi)形成納米纖維水凝膠。因此，該基團(tuán)的引入可以保護(hù)多肽分子在細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)中不被堿性磷酸酶酶解，而當(dāng)多肽通過內(nèi)吞途徑進(jìn)入溶酶體時(shí)，P-N鍵會(huì)在酸性條件下水解，釋放出酶促反應(yīng)的底物，在ACP的作用下，多肽分子發(fā)生酶解，從而在溶酶體中發(fā)生自組裝。 此外，通過將雙（二甲基氨基）調(diào)整為雙（乙酯），多肽分子不能在溶酶體中組裝。而將雙（二甲基氨基）磷酰氯修飾的酪氨酸變換位置，多肽分子依然能夠在溶酶體內(nèi)發(fā)生組裝。因此，控制多肽分子在溶酶體內(nèi)發(fā)生組裝需要滿足下面幾個(gè)條件：1）設(shè)計(jì)的多肽分子衍生物需要具備抗酶解特性，保證其在細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞膜上不被酶解；2）多肽分子衍生物在溶酶體需要發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，暴露出組裝序列；3）組裝序列可以在溶酶體中富集，形成有序結(jié)構(gòu)。 該工作首次提出通過分子剎車片控制化學(xué)分子在體內(nèi)的可控精準(zhǔn)組裝，整合了酸催化水解和酶誘導(dǎo)自組裝，實(shí)現(xiàn)了在活細(xì)胞中特定細(xì)胞器發(fā)生分子自組裝。該研究的發(fā)現(xiàn)為活細(xì)胞內(nèi)精準(zhǔn)合成功能性的多肽材料和藥物提供了一種新策略。 論文信息： Spatiotemporal Control over Chemical Assembly in Living Cells by Integration of Acid Catalyzed Hydrolysis and Enzymatic Reaction Huaimin Wang, Xuejiao Yang, Honglei Lu, Yinghua Tao, Laicheng Zhou, Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202109729
