許多人認為生命的奧秘在于那些折疊的分子?，F(xiàn)在，化學家正向天然蛋白質(zhì)學習，力圖人工生成擁有巨大應用潛力的“折疊體”，但他們能成功嗎？科學作家拉謝爾·布拉西爾采訪了幾位超分子化學家，看看他們在忙活什么。

撰文 | 拉謝爾·布拉西爾（Rachel Brazil）

編譯 | 顧淼飛

折疊的分子，構(gòu)成了生命的基礎。用美國威斯康辛大學麥迪孫分校的薩姆·格爾曼（Sam Gellman）的話說：“如果你從化學的角度看待生物學，你就無法否認，生物學在分子水平上做的幾乎每一件復雜的事，都是借由序列特異的、折疊的雜聚物來實現(xiàn)的。”。

如今，屬于生物學的分子折疊技巧已經(jīng)被化學家學了來。不過，英國布里斯托大學的喬納森·克萊登（Jonathan Clayden）曾經(jīng)“撂下狠話”，化學家其實有著更大的野心，他們的目的不只是復制出那些天然就存在于生命體中的聚合物，還要通過獨出心裁的化學設計，得到比天然分子更多樣、更智能、更“好”的折疊分子。你可以說這是青出于藍而勝于藍，也可以說，這是想在對手最擅長的賽道上跑贏對手。

有望讓化學家實現(xiàn)這一野心的，是一種叫作“折疊體”的分子（foldamer），它也許有朝一日能在這場折疊競賽中戰(zhàn)勝生物學。

在蛋白質(zhì)后面跟跑，跟著跟著就被落下了

想要合成折疊分子的這個念頭，最早應該來自于20世紀80年代關于蛋白質(zhì)折疊的工作。格爾曼是最早的實踐者之一，也是第一位提出“折疊體”一詞的人。他認為，“其中的關鍵性貢獻之一，是蛋白質(zhì)建模專家肯·迪爾（Ken Dill）的成果?！蹦壳霸诩~約州立大學石溪分校的迪爾，一直致力于蛋白質(zhì)折疊的研究。他認為，蛋白質(zhì)的折疊過程是因為氨基酸同時具有疏水基和親水基。此前，人們一直認為是氫鍵支配著蛋白質(zhì)如何形成自身結(jié)構(gòu)。然而，他的同事羅恩·楚克曼（Ron Zuckermann）用實驗證明了事實并非如此。楚克曼的反例是由聚-N-取代甘氨酸組成的類肽，在它的分子結(jié)構(gòu)上，側(cè)鏈連接在主鏈上的氮原子上，而不是碳原子上，它在沒有氫鍵的情況下依然形成了穩(wěn)定的螺旋狀結(jié)構(gòu)。這一點讓迪爾和楚克曼確信，折疊主要是由氨基酸側(cè)鏈的固有特性造就的，氫鍵提供的結(jié)合力充其量只是個聊勝于無的“膠水”。

除了這個例子，還有哪些分子能像類肽那樣折疊起來呢？格爾曼想知道這個問題的答案。他曾經(jīng)在一次會議報告之后問過迪爾：“如果我用疏水的苯乙烯和親水的苯乙烯得到一個聚苯乙烯，那么它能折疊嗎？”迪爾給出的答案是——是的，我認為是可以的。

在迪爾和楚克曼看來，生命始于折疊，一個個化學分子能組成生命體，其原因也是折疊。盡管主流觀點都把RNA的復制看作生命過程中的第一步，認為正是由于RNA的自主復制，才啟動了諸如DNA復制、蛋白質(zhì)合成等一系列分子折疊的進程。但是迪爾卻認為，一定另有一個分子折疊的階段發(fā)生在RNA復制之前。他于2017年發(fā)表了折疊體假說[1]。在他的研究工作中，單體被分為兩類，一類是具有親水側(cè)鏈的，另一類是具有疏水側(cè)鏈的。他用一個簡單的計算模型創(chuàng)建了同時具有這兩類單體的化學鏈，然后發(fā)現(xiàn)，即使是一條很短的鏈，也可以折疊成更緊湊的結(jié)構(gòu)。

迪爾對此給出了進一步的解釋，這是因為折疊后的結(jié)構(gòu)使得一種類似于位點的東西——迪爾管它叫“著陸架”（landing pad）——暴露了出來，而這些著陸架可以催化生成其他聚合物，于是這個過程就有點像多米諾骨牌似的自發(fā)延續(xù)了下去，最終的結(jié)果就是產(chǎn)生了原始酶。說得再通俗一些，如果我們把反應底物比作一鍋湯，那么在這鍋湯里，由于疏水單體和親水單體的序列足夠多種多樣，最后將自發(fā)出現(xiàn)全部可能的酶。當然，從生物學的角度來看，生命要以信息存儲在DNA上才能開始起算，其實在那之前，折疊已經(jīng)發(fā)生了。

所以，如果生物學是擅長折疊的化學大師，那么真·化學大師可以玩轉(zhuǎn)這個技巧嗎？

格爾曼在上世紀90年代開始嘗試著合成能折疊的分子，并且提出了“折疊體”這個名字用來稱呼這類分子。但是他隨后就發(fā)現(xiàn)，最開始被看好的聚苯乙烯并不能扛起大旗——用聚苯乙烯來合成這樣的折疊分子是行不通的。“因為沒有人能控制聚苯乙烯中哪個單體會出現(xiàn)在哪里，也不知道該怎么控制，所以我們后來把研究的焦點放在了聚酰胺身上?！备駹柭忉尩?。他把目光放在了β-氨基酸，雖然它的氨基基團不像天然氨基酸那樣連接到α-碳上，而是連接到β碳上，但是由它折疊成的螺旋狀分子完全可以跟蛋白質(zhì)的折疊結(jié)構(gòu)相媲美。

德國慕尼黑大學的超分子化學家伊萬·于克（Ivan Huc）等人也設計出了更多不走尋常路的折疊結(jié)構(gòu)。他們的原料一是芳香族的寡聚酰胺；二是具有蛋白原側(cè)鏈的單體，因其有折疊潛力（或者說具有折疊傾向）。于克得到的分子是螺旋狀的，我們可以把它的樣子想象成一圈一氣呵成削下來、完全沒有斷掉的蘋果皮。這圈“蘋果皮”的直徑可以根據(jù)單體尺寸進行調(diào)整，“蘋果皮”中間空出來的那個“洞”里，可以安置一個“做客”的分子[2]。

然而，如今折疊體的設計仍然發(fā)展得磕磕絆絆。盡管計算工具不斷發(fā)展，但還是不如蛋白質(zhì)和肽的建模工具那么先進?！拔覀円恢备诘鞍踪|(zhì)后面跑，但是現(xiàn)在被落下了有點遠?！庇诳苏f。

催化和制藥，兩手都要抓

格爾曼曾說：“我們最想實現(xiàn)的夢想之一，就是創(chuàng)造具有高效催化活性的折疊體?！彼罱酉铝诉@項艱巨的挑戰(zhàn)。

在某些情形下，酶——這種具有三級結(jié)構(gòu)的分子——能讓反應速率加快100萬倍。盡管格爾曼還不能制備出像酶一樣的三級結(jié)構(gòu)，但是他確實創(chuàng)造了一種折疊體——能讓兩個官能團相鄰地排列起來，從而形成螺旋狀的結(jié)構(gòu)[3]。格爾曼的折疊體中含有α和β氨基酸，包括具有五元環(huán)的β殘基，β殘基的作用是約束主鏈的靈活性，從而使折疊體的螺旋結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

這種折疊體被用來催化生成15個原子以上的大環(huán)，這類大環(huán)分子可用于制藥，應用潛力巨大，可是它們很難制備，因為長鏈分子的兩端需要靠得非常近才能發(fā)生反應。有了各自都連接到β殘基上的伯胺和仲胺，折疊體就能夠正確地定位在化學鏈的兩端，從而通過羥醛縮合生成碳碳鍵，得到12~22碳環(huán)。先前的工作已經(jīng)表明，類似的折疊體體系作催化劑時，反應速率比起使用小分子催化劑快出了100倍。雖然效果立竿見影，但是跟自然界最優(yōu)秀的催化劑——酶相比，折疊體的表現(xiàn)仍然差點意思。

格爾曼等人也致力于研究折疊體如何以藥物分子的身份表現(xiàn)更勝生物學一籌。“很多肽類也會被用作藥物，但是它們在體內(nèi)很快就分解了?！比鹗縄mmuPharma制藥公司的總裁迪米特里·迪米特里烏（Dimitri Dimitriou）說，“如果能高效地制備出在結(jié)構(gòu)上類似于肽，在性質(zhì)上卻比肽穩(wěn)定的折疊體，那么它在制藥方面的潛力將毫不遜于單克隆抗體產(chǎn)業(yè)——站在商業(yè)立場來看，這是很激動人心的。”他對此非常有信心，認為折疊體藥物在5年內(nèi)就可以問世。

格爾曼在2010年聯(lián)合創(chuàng)立了Longevity Biotech公司，研發(fā)含有β-氨基酸的肽類藥物[4]?！斑@些肽類分子上的β殘基只占1/4~1/3，但由于這些β殘基是沿著主鏈分布的，所以對水解蛋白酶來說，剪斷它們也是非常費力且進度緩慢的事情。”他解釋道。格爾曼的公司管這種折疊體叫作“混血肽（hybridtides）”?；煅牡摹?.0版”，是一種能夠連接到G蛋白偶聯(lián)受體的藥物，G蛋白偶聯(lián)受體是一種跨膜蛋白，當受到外部分子的刺激時能在細胞內(nèi)部傳輸信號。他們目前正進行一項帕金森癥候選藥物的臨床前生物標志物研究。

在新冠疫情期間，格爾曼似乎找到了新的研究方向，他開始著手研究能阻斷新冠病毒的折疊體藥物，靈感來自于2009年一項關于艾滋病藥物恩夫韋肽的工作[5]。恩夫韋肽有36個殘基，可以高效地阻斷病毒吸附到細胞上的這個過程。但是這個藥物的半衰期實在太短了，患者必須每天注射兩次。格爾曼表示，“因為α-β主鏈的因素，變體受水解蛋白酶的影響很小，影響程度降低到了1/300，我們打算用同樣的辦法來對付新冠病毒。”

跟Longevity Biotech同期開展折疊體藥物研究的，還有ImmuPharma及其子公司Ureka。跟格爾曼的做法不同的是，他們的折疊體將部分氨基酸取代成了尿素。Ureka的研發(fā)總監(jiān)塞巴斯蒂安·古德羅（Sebastien Goudreau）解釋道：“寡聚脲很適合用來生成螺旋結(jié)構(gòu)，而且，由寡聚脲生成的螺旋結(jié)構(gòu)跟肽的結(jié)構(gòu)很相似的……得到的這個折疊體簡直絕了：它既有硬度——這是由尿素主鏈貢獻的，也有相當?shù)撵`活度——這是由側(cè)鏈基團貢獻的，而后者可以像氨基酸那樣被取代?！?/p>

處于概念驗證階段的Ureka選擇了從胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）起步——這種激素能促進胰島素的分泌，并用來治療2型糖尿病和非酒精性脂肪肝。Ureka的折疊體是用3個尿素殘基取代了GLP-1中的連續(xù)4個氨基酸[6]。迪米特里烏表示：“我們已經(jīng)證明這是奏效的，也證明了這在小鼠體內(nèi)能大幅延長半衰期?！卑胨テ诘难娱L意味著藥物劑量的減少，而且理論上來說，如果這種藥物能抵抗酶的消化作用的話，它甚至可以口服。

會動的折疊體

自然不僅僅締造了折疊體，還創(chuàng)造了那些能改變自身形狀的分子。例如，G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）在響應激素或是其他能夠刺激味覺、嗅覺的分子時，可以進行構(gòu)象轉(zhuǎn)換?？巳R登已經(jīng)試著用折疊體來重現(xiàn)這種行為，他說：“我們已經(jīng)設計出具有這樣特征的分子——當它們與一個配體結(jié)合之后，形狀會發(fā)生改變，而分子結(jié)構(gòu)的改變可以用來傳遞信息……這就是我們所說的動態(tài)折疊體（dynamic foldamer）?！?/p>

克萊登的研究始于一種非手性的氨基酸——α-氨基異丁酸（AIB）。他說：“合成得到的螺旋結(jié)構(gòu)肯定要么是左旋的，要么是右旋的，事實上它能非常迅速地在這兩種結(jié)構(gòu)之間互相轉(zhuǎn)換?！敝阅苻D(zhuǎn)換，是因為折疊體的胺基端有一個龐大的、呈周期出現(xiàn)的氨基硼酸基團，如果與一個同樣龐大的手性二醇配體結(jié)合，它將生成硼酸鹽酯，而硼酸鹽酯將進一步生成連接胺基團的甲醇橋，配體的空間位阻驅(qū)使折疊體轉(zhuǎn)換到另一種構(gòu)象[7]。

動態(tài)折疊體的這種性質(zhì)有個絕佳的妙用，就是用作“智能”藥物，因為它能根據(jù)特定的刺激源在細胞內(nèi)部通過左旋或右旋來實現(xiàn)“開”或“關”的操作（例如用左旋表示“開”，用右旋表示“關”），從而控制酶的通路?？巳R登已經(jīng)證明，動態(tài)折疊體作為人工受體嵌入磷脂囊泡時是能夠正常工作的[8]——這至少說明該思路是可行的。他希望未來能將這個概念用到真正的細胞中。

采用同樣的方法，克萊登還模擬了我們的色覺。在人體中，色覺的產(chǎn)生依靠視桿視紫紅質(zhì)上的GPCR受體，而克萊登用來替代GPCR受體的分子是偶氮苯生色團，它連在AIB折疊體上，能在偶氮苯響應光線時改變形狀——例如，在紫外線條件下，這個分子就可以轉(zhuǎn)換到順式構(gòu)象?？巳R登將這一過程形象地稱為“構(gòu)象光電二極管”[9]。而這還不是動態(tài)折疊體最奇妙的應用，更進一步地，動態(tài)折疊體可以構(gòu)建“智能”的化學體系。例如，我們可以用不同顏色的光線來觸發(fā)反應或終止反應，或者控制產(chǎn)物的構(gòu)象——如果不滿意，就讓它轉(zhuǎn)換成相應的對映體好了。又如，克萊登正在嘗試這樣一種體系，它能與某個催化劑相結(jié)合，但是一旦轉(zhuǎn)換構(gòu)象之后又能把這個催化劑釋放出來，這一概念可以用于釋放類似于酶類抑制劑的物質(zhì)。

向三級結(jié)構(gòu)進發(fā)

既然折疊體的“競爭對手”是天然的蛋白質(zhì)，那么折疊體的目標，自然也就是向著蛋白質(zhì)所擁有的三級結(jié)構(gòu)進發(fā)。但是復制類似于蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是相當困難的。難點之一在于，大多數(shù)蛋白質(zhì)有100多個殘基，這對于化學合成來說幾乎是不可能完成的任務；難點之二，是折疊體所需要的單體也常常很難合成。

盡管困難重重，化學家還是嘗試了一些簡單的三級結(jié)構(gòu)。他們已經(jīng)利用一些基團生成了了能模仿鋅指結(jié)構(gòu)域（能協(xié)調(diào)一個或多個鋅離子并結(jié)合多種生物分子的蛋白質(zhì)基元）的折疊體；于克甚至在非極性溶劑中生成了螺旋束（helical bundles），表明這種結(jié)構(gòu)在與自然界截然不同的環(huán)境中也能形成[10]。

為了創(chuàng)造更大更復雜的結(jié)構(gòu)，于克提出要向自然界取經(jīng)，而他選擇的“師父”是核糖體。核糖體堪稱細胞里的蛋白質(zhì)工廠，它里面的整套工作流程涉及mRNA和tRNA的互補配對、氨基酸轉(zhuǎn)運、多肽合成等多個過程，有很多值得借鑒的地方。于克形容他的長遠目標是“操縱核糖體這臺機器，讓它去生產(chǎn)化學物質(zhì)”。

于克從2018年開始了關于核糖體的工作，他使用大腸桿菌的核糖體合成了一個折疊體和肽的雜化物，并且或多或少實現(xiàn)了他的一些設想[11]。當然，于克的藍圖現(xiàn)在還沒有完成，未來也不見得容易。

去做一些自然界力所不能及的事情

退回到30年前，一提到分子的折疊，人們想到的問題大概還是“生物學上的雜聚物及其折疊能力是否是獨一無二的”。如今，化學家已經(jīng)給出了答案，他們可以舉出很多例子，來證明化學合成的分子鏈也具有折疊能力，于是，問題變成了“能否制備足夠復雜的大型折疊分子，以及能否操縱它們”。

折疊體研究領域的進步當然得益于向自然界的“偷師學藝”，但是化學家確實從中找到了更廣闊的空間?！拔覀冃枰伎家恍┳匀唤绺揪娃k不到的事情?！庇诳颂岢?，“至于關鍵性的進展將會出現(xiàn)在哪里，誰知道呢？”

參考文獻

[1] E Guseva, R N Zuckermann and K A Dill, Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2017, 114, E7460 (DOI: 10.1073/pnas.1620179114 )

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[11] J M Rogers et al, Nat. Chem., 2018, 10, 405 (DOI: 10.1038/s41557-018-0007-x )

原文鏈接：https://www.chemistryworld.com/features/the-function-of-folding/4012081.article