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，科學家可以構建結構多樣的功能材料，并廣泛應用于材料、藥物和醫(yī)學等領域。為了控制自組裝結構的形成，科學家通常會引入外界刺激，如pH、溫度、光照等。其中，酶作為一種天然的生物分子，被廣泛應用于體內(nèi)外的酶促組裝。
然而，如何在環(huán)境復雜的活細胞內(nèi)，對酶促組裝進行時間和空間維度上的精準控制，目前仍然是一個挑戰(zhàn)。
近日，西湖大學的王懷民研究員團隊通過在分子水平上，給酶底物分子裝上分子剎車片，利用細胞溶酶體內(nèi)特有的酸性環(huán)境調(diào)控分子剎車片，構建一種全新的多層級組裝策略，在活細胞中同時實現(xiàn)酸催化水解和酶促組裝，進而實現(xiàn)組裝體在特定細胞器內(nèi)的精準形成。
首先，通過合理設計，作者在熒光多肽分子上引入雙（二甲基氨基）磷酸，體外酶解和水解實驗證明，在雙（二甲基氨基）的保護下，多肽分子不會發(fā)生酶解。只有在酸性條件下，P-N鍵會發(fā)生斷裂，暴露出酶促反應底物。進一步，在酸性磷酸酶（ACP）的作用下，多肽分子會進一步發(fā)生酶解，形成自組裝多肽。冷凍電鏡結果證明，酸解及酶解的進行可以促進納米纖維的形成。 進一步，將雙（二甲基氨基）保護的多肽分子與過量表達堿性磷酸酶（ALP）的人成骨肉瘤細胞（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，而沒有該基團保護的多肽分子則會在細胞膜上聚集。生物電鏡進一步證明了雙（二甲基氨基）保護的多肽分子可以在溶酶體內(nèi)形成納米纖維水凝膠。因此，該基團的引入可以保護多肽分子在細胞膜和細胞質中不被堿性磷酸酶酶解，而當多肽通過內(nèi)吞途徑進入溶酶體時，P-N鍵會在酸性條件下水解，釋放出酶促反應的底物，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條件：1）設計的多肽分子衍生物需要具備抗酶解特性，保證其在細胞質或細胞膜上不被酶解；2）多肽分子衍生物在溶酶體需要發(fā)生化學反應，暴露出組裝序列；3）組裝序列可以在溶酶體中富集，形成有序結構。 該工作首次提出通過分子剎車片控制化學分子在體內(nèi)的可控精準組裝，整合了酸催化水解和酶誘導自組裝，實現(xiàn)了在活細胞中特定細胞器發(fā)生分子自組裝。該研究的發(fā)現(xiàn)為活細胞內(nèi)精準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
