华东理工大学刘润辉教授课题组在多肽合成领域取得突破性成果

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蛋白和多肽在生命体中具有重要生物学功能，但其实际应用受到易被蛋白酶水解、体内生物利用度低等缺点限制。多肽模拟研究可以针对性地解决多肽体内稳定性差的突出缺点对应用的局限，因此在药物发现、组织工程、蛋白模拟、生物材料和化学等诸多领域具有重要应用前景。多肽模拟物的降解可调使得多肽可以适配不同应用场景，而多肽序列对其功能的发挥具有重要作用，因此，对酶降解可调和聚合物序列可控是多肽合成和应用研究领域中的关键性需求和挑战。

在多肽模拟研究领域中，刘润辉教授课题组前期通过建立对水分不敏感的β-NTA（β-氨基酸N-硫代羧基酸酐）聚合新方法解决了β-内酰胺聚合制备β-多肽的经典合成方法对水分敏感、聚合条件苛刻、功能基团适用性受限的核心挑战（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 6412-6419）。本研究着眼于解决多肽模拟物对酶降解可调和聚合物序列可控的关键性需求和挑战，通过α-NCA和β-NTA共聚实现了α/β-多肽的可控合成和对蛋白酶降解的调节；通过共聚反应中溶剂对单体聚合速率的调节作用，实现了α/β-多肽的序列可控（图1）。该研究成果以“Synthesis of Poly-α/β-peptides with Tunable Sequence Via the Copolymerization on N-carboxyanhydride and N-thiocarboxyanhydride”为题发表在iScience上（iScience. 2021, DOI:10.1016/j.isci.2021.103124）。

图1：序列可调节的α/β-多肽合成

首先以Boc-α-L-lys NCA和Bn-β³-LCHG NTA为代表性单体，研究不同溶剂对共聚反应的影响，并展示在四氢呋喃溶剂中可控合成一系列不同链长（DP = 30-90）、低分散性（Đ=1.16-1.31）和不同氨基酸比例的α/β-肽。通过用侧链不同功能化基团的β-NTA单体和α-NCA共聚，展示该方法具有广泛的底物适用性。

作者提出并验证了伯胺引发α-NCA与β-NTA的共聚反应机理为常规胺机理。该机理路线是通过引发剂伯胺亲核加成到α-NCA或者β-NTA羰基，开环后脱去CO₂或COS小分子，生成末端为伯胺的活性中间体，重复上述步骤实现共聚反应链增长。作者通过高分辨ESI表征引发剂：α-NCA：β-NTA为1：1：1混合物的质谱，发现产物质谱峰主要为末端伯胺的结构；用MALDI-TOF-MS表征引发剂：α-NCA：β-NTA为1：15：15聚合反应产物，发现聚合得到的α/β-多肽C-端均含有引发剂基团，从而支持了常规胺聚合机理。基于常规按机理，α-NCA与β-NTA的共聚反应具有活性聚合特征，因此可成功实现多嵌段α/β-多肽合成以及α/β-多肽的双端功能化。

进一步研究发现，α-NCA与β-NTA的共聚反应动力学表现出显著的溶剂驱动特性。在THF溶剂中，Boc-α-L-lys NCA具有比Bn-β³-LCHG NTA略高的竞聚率，两者的共聚反应接近理想共聚，产物为无规共聚物形式的α/β-多肽。作者进一步合成了模拟宿主防御肽的无规型聚α/β-多肽分子库，通过掺入不同比例β-氨基酸可以调节α-多肽的抗菌活性。重要的是，β-氨基酸的无规掺入实现了对蛋白酶（胰蛋白酶、蛋白酶K23）降解的调节（图2）。

图2：在TFH中伯氨引发α-NCA与β-NTA的共聚反应

在CHCl₃/H₂O（95/5，v/v）的混合溶剂中，Boc-α-L-lys NCA和Bn-β³-LCHG NTA的竞聚率差异增大24倍，这使得聚合产物为近似嵌段的α/β-多肽，GPC表征结果与理论分子量一致说明在含水混合溶剂中该共聚反应仍然保持可控性。另外，在混合溶剂中两种单体均聚动力学表明α-NCA可在5min完成聚合，此时聚合体系中β-NTA还剩余98%的未反应（图3）。

图3：在CHCl₃/H₂O混合溶剂中伯氨引发α-NCA与β-NTA的共聚反应

基于溶剂对α-NCA与β-NTA共聚速率的调节作用，作者通过两种方法实现了序列可调节的α/β-多肽合成。首先，以PEG-NH₂作为引发剂，将Boc-α-L-Lys NCA/Bn-β³-LCHG NTA混合物反复添加到聚合反应中，可以得到具有交替Boc-α-L-Lys嵌段和Bn-β³-LCHG嵌段的十嵌段α/β-多肽。反应液GPC表征结果证实这一方法得到多肽分子量与理论数值一致。然后，作者在PEG-NH₂引发β³-LCHG NTA聚合过程中将Boc-α-L-Lys NCA或α-BLG NCA交替添加到反应液中, 基于α-NCA在该体系中具有远快于β-NTA单体的聚合速率，从而在β-多肽的相应位置插入一段α-多肽（图4）。

图4：在CHCl₃/H₂O混合溶剂中序列可调的α-NCA与β-NTA共聚反应

多肽的序列控制对纳米结构具有重要影响。基于上述序列可调的α-NCA与β-NTA共聚反应通过一锅法来制备三嵌段聚α/β-多肽具有极好的可重复性，以端基为PEG的三嵌段聚α/β-多肽PEG-poly(Boc-α-L-Lys)-b-poly(Bn-β³-LCHG)为例，六个不同批次的聚合反应得到的产物GPC曲线几乎完全重合。此外，通过该方法合成α/β-多肽可以通过调节β-氨基酸结构来改变自组装形貌，从而展现在多肽自组装研究中的潜力（图5）。

图5：在CHCl₃/H₂O混合溶剂中一锅法合成PEG功能化的三嵌段α/β-多肽自组装

本研究论文所建立的序列可控的α-NCA和β-NTA活性共聚方法，实现了合成具有酶降解可调和聚合物序列可控的α/β-多肽突破，为α/β-多肽的合成和功能研究打开了大门，对探索多肽大分子新折叠方式、自组装结构和生物学功能具有十分重要的意义。

华东理工大学周敏博士是该论文的第一作者，刘润辉教授是通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委等基金的资助。

论文链接: 

https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(21)01092-0#relatedArticles

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