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Science:用自由基化学修饰蛋白质,你造吗?

相信对学过化学的同学来说,对自由基并不会觉得陌生。高中化学课本里就有烷烃在光照条件下氯代的机理,其中就涉及到自由基。自由基给人的印象就如同它的名字,反应活性高,不稳定,自由自在,无拘无束。因此对于一些复杂的反应体系,自由基反应往往不是好的选择,副产物可能太多,更别说应用在蛋白质修饰上了。


但偏偏有艺高人胆大的化学家,将自由基带入了蛋白质修饰领域。最近牛津大学(University of Oxford)的Benjamin G. Davis教授点击查看介绍及合作者在Science报道了一种称为“化学突变”的特异性蛋白质修饰方法。这是首个能在蛋白质上的特定位点增加新碳碳键的通用方法,底物相容性很好,可以为蛋白质添加多种修饰基团,形成天然或非天然的侧链,包括甲基、磷酸基、单糖、糖链等。(Posttranslational mutagenesis: A chemical strategy for exploring protein side-chain diversity. Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aag1465)


在蛋白质分子上产生新的碳碳键不论是对大自然还是化学家都是个挑战。大部分蛋白质翻译后修饰(posttranslational modification)都是对侧链硫原子、氧原子或氮原子形成新键,如甲基化、磷酸化和糖基化。实验室中,化学家利用生物正交化学也仅仅能形成碳杂(原子)键而已。


为了给蛋白质添加新的碳碳键,Davis和同事先用基因工程技术把非天然氨基酸——脱氢丙氨酸插入到他们想修饰的位点。脱氢丙氨酸的碳碳双键很容易和自由基反应,于是化学家可以用自由基化学把需要修饰的基团变成相应的自由基,再与脱氢丙氨酸反应。当然,这种自由基化学必须是生物正交的,它要能容忍水环境并且不会和其他生物分子的天然功能基团反应。

Davis教授。图片来源:University of Oxford


悉尼大学(University of Sydney)的化学生物学家Richard J. Payne评论道:“Davis组利用脱氢丙氨酸作为自由基受体,形成新的碳碳键,这一方法适用性广,许多自由基都可以起作用。这可能会改变蛋白质化学领域的游戏规则。快速修饰蛋白质能够帮助我们理解修饰对蛋白质结构和功能的影响。这个方法的应用前景难以估量,而且作者已经漂亮地将它用于很多种蛋白质修饰了。”


就如Payne所言,Davis及合作者用自由基化学将25种天然和非天然侧链,包括氮原子/氧原子连接的多糖、荧光基团、同位素标记等,修饰到8种蛋白质的特定位点。其中的一些修饰过程对其他蛋白质修饰方法而言几乎不可能实现。

通过自由基化学对8种蛋白质实现的25种侧链修饰。图片来源:Science


这种方法可以使研究蛋白质的结构和生理功能更加容易,尤其是与其他蛋白质修饰技术联用时,如点突变、非天然氨基酸突变和生物正交化学。它也有希望用于蛋白质药物研发和合成生物学领域。


当然,作为一个新方法,它并不是完美的。例如,新形成的碳碳键对某些修饰(如糖基化)不是很合适。自由基反应会使修饰位点外消旋化,也就是说这一过程没有立体选择性。此外,在同一个蛋白质分子内,还无法用自由基化学修饰两种不同的基团。


但不管怎么说,该技术仍然应用潜力巨大。


氘评

化学家必须面对一个尴尬的现实,即化学没有物理学的透彻,也没有生物学的神秘。如何找到化学家的位置?把已经积累了丰富知识和经验的化学应用在生命学科,解决生命问题,可能是一个好的选择。让化学成为其他学科的知识来源、数据库、解决方案,化学就永远不会过时。有感而发,求轻喷。


1. http://science.sciencemag.org/content/early/2016/09/22/science.aag1465

2. http://cen.acs.org/articles/94/i38/Modifying-proteins-via-radical-chemistry.html


(本文由氘氘斋供稿)


问题讨论

  • 自由基化学修饰蛋白质就像很多其他自由基反应一样,遇到什么气体容易产生副反应?


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