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生物物理所等在遗传编码膦配体及人工金属蛋白(酶)设计研究中获进展

2022-11-29 生物物理研究所
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  11月23日,中国科学院生物物理研究所王江云课题组和清华大学陈永湘课题组,在JACS上,发表了题为Genetically Encoded Phosphine Ligand for Metalloprotein Designn的研究论文。该工作首次运用遗传密码子扩展(GCE)策略,将非天然的膦配体引入生命体系,进而发展了含非天然膦配体的人工金属蛋白(酶)的构建策略。

  自然界和生物体中,作为构成生命体的重要元素,磷元素多以+5价的化合物形式存在于生命体系中,并发挥重要的生理功能。+3价磷因特殊的电子结构而具有更丰富的功能特性,但由于地球生物圈处于富氧环境的局限,生物体几乎没有进化出利用低氧化态磷的运行法则。化学家可以将+3价的磷元素发展为N、O、S元素之外的一种重要的催化剂配体,即膦配体,并化学进化出具有特殊催化活性的过渡金属催化剂,发展出较多自然界不存在的反应类型,将这些成果、智慧拓展到生物进化体系,进而设计、构建新型的人工金属蛋白,这是合成生物学中颇具前景的研究方向。

  本研究克服了基因编码膦配体的三个挑战:膦配体具有较强的氧敏感性,无法兼容在有氧条件下、细胞内的蛋白质生物合成过程以及生理条件下氨酰-tRNA合成酶的定向进化;金属有机化学中的金属配位、缀合过程多在惰性氛围的手套箱等进行,普通的生化实验条件下难以制备含膦配体的人工金属蛋白(酶);膦配体结构一般均具有较大的体积、水溶性差。该研究首次实现了将低价态、非天然的膦配体通过GCE策略引入生命体系,插入蛋白骨架上的任意位点。

  科研人员设计并合成了一种硼烷保护的含膦配体非天然氨基酸P3BF,其在水相、空气条件下比较稳定;经过筛选和定向进化得到一个能特异性识别P3BF的氨酰-tRNA合成酶突变体P3BFRS;借助遗传密码子扩展技术,在大肠杆菌内将P3BF插入了蛋白质的任意特定位点;首次解析了含非天然膦-硼(P-B)键、1.95Å分辨率的蛋白质晶体结构。

  此外,研究人员发展了一种可在水相、空气的有氧条件下,简便地一步直接将膦硼化合物P3BF转化为膦-金属复合物的新策略。该策略条件温和、高效、绿色,与蛋白兼容,操作简便,无需无氧处理,为蛋白质上的化学转化提供了可行方案;根据实验现象,对该一步法直接转化反应进行初步的机理探究,给出可能的反应路径。在此基础上,本研究将膦硼非天然氨基酸P3BF插入了一种具有特殊空腔结构的LmrR蛋白,并利用一步法的直接转化策略,在水相、空气的条件下,构建了含膦-环钯金属复合物的人工金属蛋白,发展了膦-金属蛋白构建的新策略,为下一步实现人工金属酶、甚至全细胞催化创造了有利条件。

  研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等的支持。

  论文链接 

如何将非天然膦配体引入生命体系

非天然膦配体的生命体引入及人工金属蛋白构建策略

打印 责任编辑:侯茜

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