Biomacromolecules | 由氨基酸功能化的聚脱氢丙氨酸形成可受调控的凝聚体

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分享一篇最近发表在Biomacromolecules上的文章,题目为Switchable Coacervate Formation via Amino Acid Functionalization of Poly(dehydroalanine)这篇文章的通讯作者是来自美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的Timothy J. Deming教授。

    凝聚体 (Coacervate) 通常是由多种生物大分子在水溶液中发生液液相分离形成的微小液滴结构,它与多种生命过程相关,被认为在生命起源中起着重要作用。简单的聚合物体系也可以模拟复杂生物体系形成凝聚体,但是这些简单体系缺乏对生理刺激做出响应行为。在之前工作中,作者团队开发了一类具有α-螺旋结构的侧链氨基酸功能化的聚高半胱氨酸衍生物Xaa-CH,它具有在水中形成刺激响应性凝聚体的能力;在本文中,作者探究了无手性聚氨基酸主链是否也能在不同氨基酸功能化后促进凝聚体形成,这些实验有望帮助理解多肽链的构象和柔韧性如何影响凝聚体的形成与性质 (1)

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1. 本文工作与之前工作比较。

    作者首先合成了用于聚氨基酸后修饰的巯基试剂,通过胱胺的氨基与氨基酸羧基缩合再接一步还原得到巯基功能化的氨基酸修饰基 (2A);这些氨基酸修饰基可以高效地与聚脱氢丙氨酸ADH65 进行Michael加成反应(2B)。作者用核磁分析确定了每个残基ADH均完全转化为相应的功能化残基,圆二色光谱 (CD) 结果表明功能化的外消旋聚氨基酸均为无序构象。
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2. (A) 巯基氨基酸修饰基的合成;(B氨基酸功能化的外消旋聚氨基酸Xaa-rac-C的合成。

    作者研究了不同聚合物Xaa-rac-C65在水中随pH、温度、反离子变化的相行为,以评估其物理化学性质(1)。在PBS缓冲液中,即含有磷酸根离子作为反离子的情况下,Ala-rac-C65 and Pro-rac-C6590 oC以下均为澄清溶液;而Val-rac-C65Leu-rac-C65 Met-rac-C65在此条件下均有LCST,并且相转变温度会随pH发生显著的变化,随pH增加,聚合物亲水性增加,LCST会上升。反离子的变化也会显著影响相行为,随着阴离子价的升高,所有样品的水溶性都会降低。

1含不同反离子的Xaa-rac-C65水溶液的凝聚体转变温度
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    作者用光学显微镜观察研究了上述Xaa-rac-C65样品在pH 7.0、三聚磷酸阴离子存在下的相分离性质。亲水性的Ala-rac-C65Pro-rac-C65会形成不规则边缘和簇状的固体沉淀;Val-rac-C65Leu-rac-C65 Met-rac-C65均会形成光滑边缘的液滴 (3A, B) ,并且具有流动性;将三聚磷酸盐替换为多聚腺苷酸(polyA)也会形成类似的液滴结构(3C, D)。这些结果表明侧链上结合疏水和带电氨基酸基团可以帮助多肽更有效地形成凝聚体。
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3. (A) Leu-rac-C65 + TPP; (B) Met-rac-C65 + TPP; (C) Leu-rac-C65 + polyA; (D) Met-rac-C65 + polyA. Scale bars = 20 μm.

    相比于之前作者报道的α-螺旋的氨基酸功能化的聚氨基酸 (1) Leu-CH60Leu-rac-C65 Met-rac-C65所形成的凝聚体在更高的离子强度下都更稳定:Leu-CH60Leu-rac-C65 Met-rac-C65分别在250 mM 1 M2 M NaCl以下稳定存在。凝聚体稳定性的增加可能与聚合物疏水性增加有关,稳定性提高有利于下游应用。
    作者之前已经证明,Leu-CH60中的硫醚键可以被氧化形成亚砜,使聚合物的亲水性增加,聚合物的构象会因此从α-螺旋转变为无规卷曲,并且与三聚磷酸形成的凝聚体也会溶解。在此,作者同样测试了氧化还原条件对Leu-rac-C65 Met-rac-C65凝聚体的影响。作者用叔丁基过氧化氢可以在水溶液中将Leu-rac-C65Met-rac-C65得到相应的亚砜衍生物Leu-rac-CO65MetO-rac-CO65 (4) ,氧化后的这两个衍生物形成凝聚体的能力变弱,与三聚磷酸阴离子在pH 7.020 oC下都不会形成凝聚体;但尽管如此,加热至33 oC至和调节pH至弱碱性仍能诱导Leu-rac-CO65 形成凝聚体,并且Leu-rac-CO65仍能和polyA形成凝聚体。这些结果表明,尽管Leu-rac-CO65比其未氧化的前体亲水性增加,但在一定条件下仍能形成凝聚体。
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4亚砜衍生物合成。

    相比之下,MetO-rac-CO65形成凝聚体的能力降低,在所有测试条件下均无明显相分离现象,这可能是因为其更强的亲水性导致的。Met-rac-C65中额外的硫醚基团允许其通过氧化在高度疏水和高度亲水状态之间切换:通过氧化还原条件的变化,体系可以在凝聚体和溶液之间可逆切换。
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5. Met-rac-C65TPP凝聚物的可逆氧化还原。

    总的来说,本文作者通过聚脱氢丙氨酸ADH的聚合后修饰制备了一类外消旋的侧链氨基酸功能化的Xaa-rac-CXaa-rac-C也可以形成与Xaa-CH类似的性质、且更稳定的相分离凝聚体,这些结果表明侧链氨基酸结合到多肽上可能是获得凝聚体的普遍方法。这些Xaa-rac-C多肽有望模拟生物大分子凝聚体,用于治疗递送和蛋白质分离等应用。

作者ZHS  审校JXD
DOI: 10.1021/acs.biomac.4c00048
Link: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.4c00048

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