不会折叠的寡聚轮烷不是好蛋白质

折叠这一现象在自然界中很常见，比如蛋白质合成之后必须要折叠成正确的立体结构才能发挥生物学功能，而错误的折叠会导致蛋白质失去活性，甚至还会引起一些疾病。著名的阿尔茨海默病，就与蛋白质错误折叠造成的β淀粉样蛋白有着密切关联。化学家近些年也合成了一些具有折叠结构的分子折叠体（foldamers），来模拟自然界中这种对结构和功能的精细控制。其中，获得过2016年诺贝尔化学奖的轮烷和索烃表现抢眼，一些基于这些机械互锁分子的折叠体相继问世。以寡聚轮烷（oligorotaxanes）为例，分子中的机械互锁结构使得这种单分子组装体呈现出了折叠的二级结构。

单分子力谱（single-molecule force spectroscopy）是近年来逐步发展起来的技术，基于原子力显微镜（atomic force microscopy，AFM）原理用于纳米力学研究。该技术测量分子力学性质时具有亚纳米级分辨率，在生物学领域中得到了广泛应用。近日，比利时列日大学Anne-Sophie Duwez教授（点击查看介绍）课题组联合诺奖得主美国西北大学J. Fraser Stoddart教授（点击查看介绍），利用单分子力谱研究了合成寡聚轮烷的折叠和展开过程，揭示了这类分子的力化学性质。相关论文发表在Nature Nanotechnology 上。

Anne-Sophie Duwez教授（左二）和J. Fraser Stoddart教授（左三）。图片来源：Duwez Lab / University of Liège

作者先合成了[5]轮烷（[5]rotaxane）分子，基于电子供体和受体的相互作用形成折叠体。分子中包含了四个缺电子联吡啶环蕃（CBPQT⁴⁺，图1蓝色环）作为受体，以及由柔性的聚氧乙烯链（PEO）连接的富电子1,5-二氧萘单元（DNP，图1红色球）供体。要实现对折叠体的拉伸实验，首先要将其固定在AFM的针尖和基底之间，因此作者在该[5]轮烷分子两端分别引入了一个1,2-二硫戊环单元（图1黑色球），从而可以与含金的基底及AFM针尖通过Au-S相互作用相连。

图1. [5]轮烷烃的化学结构。图片来源：Nat. Nanotech.

接着，作者在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中通过微调AFM针尖的位置进行了拉伸实验。作者观察到了锯齿状的特征图谱，这是因为外加的力破坏了CBPQT⁴⁺与DNP之间的相互作用，破坏力的平均值大概在100-150 pN 之间，这与诸如氢键、静电、π-π堆积、C-H-π等非共价相互作用相一致。该[5]轮烷烃分子中，每破坏一个非共价相互作用，距离拉伸约1.2 nm。并且，如果一个非共价相互作用被破坏后，与之相应的另外一个非共价相互作用就更容易被破坏，这也与模拟结果相吻合。

图2. 基于AFM的[5]轮烷展开过程。图片来源：Nat. Nanotech.

这种折叠-展开的过程是可逆的。图3展示了[5]轮烷连续四次拉伸-松弛过程，这对应了非共价相互作用的破坏与恢复。这种折叠-展开可逆过程的状态转换发生的很快，至少折叠速度不逊于天然蛋白质。并且该过程中[5]轮烷分子能承受的外力比天然蛋白质要高的多，负载率达10³至10⁵ pN/s，比此前天然蛋白质的测试结果要高100-1000倍。与蛋白质折叠不同，寡聚轮烷的折叠伴随着较少的熵减和焓变增加。实验结果表明，当外部力量（60- 150 pN）施加在[5]轮烷分子上时，分子本身会产生约25-50 pN的力量来使得被拉伸的分子回复到原来的折叠状态。

图3. [5]轮烷连续四次拉伸-松弛。图片来源：Nat. Nanotech.

总体来说，本文展示了一种由供体-受体相互作用而形成的寡聚轮烷折叠体，可在外力作用下进行可逆的折叠和拉伸，状态转变速度快、效率高，而且由于机械互锁结构，分子在受外力时相当稳定。作者认为此类分子折叠体在一些应用中的表现有望超过天然蛋白质。不过就笔者看来，这类分子作为分子机器，它们的实际应用还有漫长的道路要走。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Synthetic oligorotaxanes exert high forces when folding under mechanical load

Nat. Nanotech., 2018, 13, 209–213, DOI: 10.1038/s41565-017-0033-7

导师介绍

Anne-Sophie Duwez

http://www.x-mol.com/university/faculty/48522

J. Fraser Stoddart

http://www.x-mol.com/university/faculty/412

（本文由PhillyEM供稿）