狗年话“狗”:汪星人耳朵为什么大多软啪啪?

与狼不同,很多汪星人的耳朵都是软啪啪的,这是为什么呢?这个问题困扰过很多人,进化论的奠基人——查尔斯•达尔文在150年前也曾有过同样的疑问。图片来自网络除了著名的《物种起源》(On the Origin of Species),达尔文还有不少重要的著作,《动物和植物在家养下的变异》(The Variation of Animals and Plants under Domestication)就是其中之一,后者比《物种起源》问世要晚上9年。事实上,今年是达尔文《驯化下的动植物变异》出版150周年。[1]再回到耳朵的问题上,为什么许多人类驯化的动物(包括狗)耳朵松软,而其他野生物种的耳朵却是竖立的呢?在《物种起源》中,达尔文假设“(耳朵)下垂似乎很可能是由于动物很少受到危险的惊吓,耳朵的肌肉不再使用”。9年后的《动物和植物在家养下的变异》一书中,达尔文列出了更多有这种变化的家养动物(如猪和羊),并写到“无法竖立的耳朵肯定是驯化的结果。”事实上,驯养或驯服的动物不仅比野生的动物耳朵更软,而且它们的口吻部也更短,毛皮通常更白或者带有彩色斑块。这些被称为“驯化综合征(domestication syndrome)”的生理性状改变,根本原因都是什么呢?视频来源:Skunk Bear / NPR一种解释把这种所谓驯化综合征归因于“神经嵴细胞(neural crest cells)”,这种多能细胞位于脊椎动物胚胎外胚层,在胚胎发育过程中经诱导后可发生迁移和分化,有助于确定或塑造动物的许多生理学特征,包括面部组织、骨骼、结缔组织,牙齿、色素沉着、软骨以及非常重要的肾上腺,肾上腺分泌的激素影响动物的“战或逃(fight-or-flight)”反应,[2] 这往往在一瞬间决定生死。而耳中软骨的分布,则决定了耳朵是直立还是软趴趴。有意思的是,“神经嵴”是在1868年由瑞士解剖学家Wilhelm His Sr.首次在鸡胚中发现,而在同一年,达尔文出版了他近900页的《动物和植物在家养下的变异》,不得不说这是个巧合。[3]Charles Darwin(左)和Wilhelm His Sr.(右)。图片来源:Wikipedia2014年,一个奥地利研究团队系统分析了神经嵴细胞和驯化综合征的关联,他们认为人类在无数个世纪的动物驯养中,影响了动物神经嵴细胞的水平和质量。[4] 比如,人类会选择一些易于驯化的动物,比如性情更温和的动物(较少的“战或逃”反应),这就意味着神经嵴细胞数量或活性的适度减少,这反过来可能会影响从神经嵴衍生的广泛结构,从而引起驯化综合征。也就是说,很多汪星人耳朵软趴趴的根本原因——还是人类。当然,还有一些科学家并不完全赞同这种说法。[5-6]不过,这些头疼的问题让科学家们去头痛吧,我们和汪星人一起愉快地玩耍就好了。“哼!本王耳朵直立也一样很萌的好吗!”图片来自网络参考资料:1. https://en.wikipedia.org/wiki/Charles_Darwin2. https://en.wikipedia.org/wiki/Fight-or-flight_response3. https://en.wikipedia.org/wiki/Neural_crest4. The “Domestication Syndrome” in Mammals: A Unified Explanation Based on Neural Crest Cell Behavior and Genetics. Genetics, 2014, 197, 795-808, DOI: 10.1534/genetics.114.1654235. The taming of the neural crest: a developmental perspective on the origins of morphological covariation in domesticated mammals. R. Soc. Open Sci., 2016, 3, 160107, DOI: 10.1098/rsos.1601076. https://www.sciencealert.com/science-why-some-dogs-floppy-ears-domestication-syndrome

来源: X-MOL 2018-02-17

狗年话“狗”:汪星人能“操控”人类?

汪星人能“操控”人类?别震惊,其实你都可能被汪星人“操控”过。汪星人也没有使用什么黑科技,它们的方法很简单,那就是——卖萌。不信?你正坐在家里的沙发上玩手机,家里的汪星人想和你玩,它走到你身边,你看着它,它也用大大的眼睛盯着你,面对如此萌宠,你怎么忍心拒绝?你换衣服准备出门的时候,汪星人说不定正挥爪庆祝又一次操控成功呢……图片来自网络狗一直是人类的好朋友,陪伴人类一起度过了成千上万年的漫长岁月,不少家庭都把家里的狗看作特殊的家庭成员。现在,英国朴次茅斯大学的科学家们的研究发现,[1] 狗在与人类互动的时候会产生特定的面部表情,包括“睁大眼睛”和“吐出舌头”,对哺乳动物来说,这无疑是卖萌的举动。而当人类不关注它们的时候,这种卖萌举动大幅减少。就算美食当前,也不能让它们产生类似表情。以往的观点认为,动物的面部表情主要是无意识的动作,反应内在情绪,而不是沟通交流的方式。本文作者之一、朴茨茅斯大学进化心理学教授布里Bridget Waller说:“面部表情通常被认为受情绪驱动且非常固定,因此它不是动物可以根据自己的情况而改变的东西。”[2] 而这项研究对这些观点提出了挑战。在他们发表在Scientific Reports 杂志上的论文中,[1] 研究人员使用摄像机记录了一系列实验中24只狗的面部动作,实验中,一个人或面对狗或转过脸不面对狗;给狗提供一点美食或者不给。然后他们逐帧检查记录,以确定狗面部肌肉的变化。结果显示,与人转过脸去不面对狗相比,当人面对狗时狗的面部活动要多的多,特别是它们更容易吐出舌头和睁大眼睛。食物的存在对狗的表情没有明显影响,这表明狗的面部表情并非只是兴奋等情绪造成。这些研究结果表明,狗的表情不是简单的内在情绪的结果,而很有可能是一种交流的机制。不过有意思的是,当食物和人类关注(面对狗)同时存在时,狗也没有表现出更多的面部表情,或许它们觉得还不需要靠卖萌来获得食物。图片来源:Sci. Rep.然而该团队也强调,这项研究并未能揭示狗可能试图传达的是什么信息,或者这些面部动作是否是它们故意而为。该研究的第一作者、朴茨茅斯大学的Juliane Kaminski说:“我认为这是越来越多的证据中的一个,说明狗对我们的注意相当敏感。不过,狗主人们恐怕不太会惊讶。”的确,随着研究的进展,科学家们发现了更多的证据,表明狗与人的关系比我们想象的要复杂。比如,Science 在2016年曾经报道过,狗很有可能可以理解人类的语言和语调。[3] 狗在理解人类说话发出的指令时,用右脑分析语义,左脑分析语调,而顺畅的沟通过程需要左右脑共同参与。不过,这篇发表在顶级期刊上的论文却弄了个“大乌龙”。今年四月份,Science 发表了对该论文的“勘误”,[4] 错误和造成错误的原因都让人大跌眼镜。错误很低级:原始论文里居然搞反了狗的左右脑。原因更让人捧腹,研究人员通过给狗做功能性磁共振成像(fMRI)来分析实验动物的大脑激活状况,不过因为人在做磁共振的时候是躺着进去的(脸朝上),而狗是趴着的(脸朝下),所以研究人员按照人类习惯分析核磁图像就搞错了方向。好在最重要的结论没错,不幸中的万幸。图片来源:Science [4]虽然汪星人卖萌很常见,但林子大了什么样的狗都有,比如下面这货(怎么感觉看到食物眼睛更大呢?……)这货……还有这两个“旺上加旺”的货……参考资料:1. Human attention affects facial expressions in domestic dogs. Sci. Rep., 2017, 7, 12914, DOI: 10.1038/s41598-017-12781-x2. https://www.theguardian.com/science/2017/oct/19/dogs-have-pet-facial-expressions-to-use-on-humans-study-finds3. Neural mechanisms for lexical processing in dogs. Science, 2016, 353, 1030-1032, DOI: 10.1126/science.aaf37774. http://science.sciencemag.org/content/356/6333/eaan3276

来源: X-MOL 2018-02-16

能够直接降解塑料的酶——PET水解酶的最新研究进展

塑料制品的出现给人类的生活带来了很大的便利,但随之而来的白色污染却也让世界各国伤透了脑筋。其中聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)塑料占全球聚合物总量的18%,是白色污染的重要来源。PET性质稳定不易分解,广泛作为包装以及容器使用,其造成的废弃物数量巨大,大量难以分解的塑料垃圾堆弃在环境当中已经为全球生态系带来严重负担。目前对PET废弃物的处理方法有:填埋、焚烧以及回收利用,填埋和焚烧虽然最简单,但产生的废气废水会对环境造成二次污染。利用生物法(如使用降解酶或者微生物)将PET降解成组成分子,然后回收再利用是处理这类塑料最理想的方法,此法不但解决PET废弃物的问题,并且能够回收PET合成所需的原料。长久以来科学界一直在寻找有效的PET生物降解方法,近期,来自日本的研究团队报道了一种可以“吃塑料”的神奇细菌Ideonella sakaiensis(Science, 2016, 351, 1196-1199,点击阅读相关),入选了C&EN的“Top Research of 2016”(点击阅读相关)。这株细菌能够附着在PET的表面,分泌一种新型的PET水解酶将PET降解成小片段,再将降解后的产物运入体内进一步“消化”,最终转化为乙二醇和对苯二甲酸这两种结构相对简单的有机物。这个发现对PET生物降解工程发展是一大振奋。首先,一株可以依靠PET作为能量来源生长的微生物被分离了出来,更重要的是,一个强而有力的PET水解酶终于问世。此前报导过的一些具有降解PET活性的酶种,其活力以及底物特异性都远远不及这一个新型的PET水解酶,而究竟是甚么原因使得这个酶如此特别,则需要分析蛋白质的结构来说明。2016发表于Science 的吃塑胶的细菌及反应机理近日,中国科学院天津工业生物技术研究所郭瑞庭(点击查看介绍)研究团队成功利用X射线晶体学技术,首次解析了高分辨率的PET水解酶结构,更重要的是,团队首次获得了PET水解酶与其底物/产物类似物的复合体结构,这些结果对于了解PET水解酶如何识别底物有非常重要的意义。从整体的蛋白质结构比对看来,PET水解酶与先前报导的其他PET分解酶非常相像,唯有活性区的两个结构特征不同。第一,PET水解酶比其他酶种多出了一对二硫键,这对二硫键对于稳定活性中心催化三元体的结构至关重要,突变之后酶活大幅降低。第二,底物结合区的一个胺基酸W156侧链具有不同构型,当底物结合上去之后W156才被固定在了某个方向(此称为B-构型),并为底物的结合提供重要的作用力。有趣的是,这个W156位点在所有的PET分解酶当中都是保守的。但在其他活力较低的酶里面W156采用的是C构型,而这种C构型并不利于底物结合。更进一步分析PET水解酶中W156摆动的原因,发现其邻近的S185位点在其他的酶当中都是组胺酸,组胺酸与W156之间的堆叠作用力将W156的侧链固定在了C构型,如果将PET水解酶的S185突变成为组胺酸,PET的水解效率则显著降低。这些结果不但对于PET水解酶的研究有重要指导意义,对于酶学的研究也有重要提示,即氨基酸在不同的构型下可能展现不同功能,活性区以外的氨基酸也会影响到底物结合以及酶的活力,而解析高分辨率的蛋白质晶体结构对于这些深入的机理研究是不可或缺的。本文所解析的PETase及底物类似物的复合体结构这项研究成果有助于深入理解PET水解酶的分子作用机理,加快降解PET新酶的开发与利用。中科院天津工业生物所研究人员表示,目前正利用所获得的酶蛋白晶体结构信息,对PET水解酶进行理性设计和定向进化改造,使其变得更加“强大”。PETase可能的催化机理该研究获得国家自然科学基金、中科院创新交叉团队、中科院青年创新促进会等项目的支持。相关成果发表在Nature Communications 杂志上。Chemistry Views 第一时间以“Enzyme Breaks Down Plastics”为标题对该研究进行了推荐报道。[1]Chemistry Views 报道截图中科院天津工业生物所郭瑞庭为该文通讯作者,助理研究员韩旭、副研究员刘卫东、台湾青年访问学者黄建文为论文共同第一作者。该论文作者为:Xu Han, Weidong Liu, Jian-Wen Huang, Jiantao Ma, Yingying Zheng, Tzu-Ping Ko, Limin Xu, Ya-Shan Cheng, Chun-Chi Chen, Rey-Ting Guo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):Structural insight into catalytic mechanism of PET hydrolaseNat. Commun., 2017, 8, 2106, DOI: 10.1038/s41467-017-02255-z导师介绍郭瑞庭http://www.x-mol.com/university/faculty/43015参考资料:1.http://www.chemistryviews.org/details/news/10740245/Enzyme_Breaks_Down_Plastics.html

来源: X-MOL 2018-02-12

聚糖:生命的甜蜜外衣

糖是人类不可缺少的食物和能量来源,但如果仅仅把糖看作食物就太低估它们了。糖,尤其是聚糖几乎参与了机体的每一个生物学过程。聚糖是由很多单糖分子以共价键构成的复杂聚合物,它们数量庞大、种类繁多,装饰着细胞表面。聚糖是细胞“身份”的重要标记物,帮助细胞之间或与外部环境进行通讯。研究还表明聚糖在癌症、自身免疫性疾病等多种重大疾病中起到关键作用。尽管它们无处不在又十分重要,但对人类来说,结构复杂且少有规律的聚糖仍然非常神秘。糖酶“百宝箱”为了探索聚糖结构和功能的奥秘,美国怀俄明大学的Donald Jarvis和佐治亚大学的Kelley Moremen等研究人员搭建了一个合成、修饰、降解聚糖的酶库,并能在哺乳动物细胞或昆虫细胞中表达这些酶。这个库对于研究聚糖来说可谓是“百宝箱”,相关研究成果发表在近期的Nature Chemical Biology 杂志上。[1]该文作者之一、亚利桑那州立大学生物设计研究所主任Joshua LaBaer说:“很显然,这些精巧的糖结构在健康和疾病中都起到了至关重要的作用。”[2] 目前科学界对聚糖生理活性的理解还很少,最大原因之一就是聚糖结构复杂且缺少规律。与其他重要的生物大分子(例如核酸、蛋白质)不同,聚糖的合成并非是基于模板的组装,而是由大型酶家族的复杂相互作用产生。不同酶家族所处位置和环境不同,会产生或除去特定的糖分子。“这项工作首次集合了所有酶的克隆拷贝,这个非常宝贵的工具箱能够极大地帮助科学家研究聚糖。”[2]天然产物和有机合成是聚糖分子的主要来源,它们在结构生物学、分子生物学、再生医学、分子医学、分子探针等多个领域都扮演着重要角色。图片来源:Gifu Global Glyco-Lab at Gifu University [3]在该项研究中,研究人员成功生产了所有已知的人类糖酶(glycoenzyems),例如糖基转移酶、糖苷水解酶、磺基转移酶以及其他聚糖修饰酶,与超过7000种脊椎动物聚糖的合成和修饰有关。为了实现这个宏大的目标,该研究团队试图简化过程,只生产能够在宿主细胞有效表达的酶型。研究人员制定了一个设计策略来捕捉那些编码区域,并把它们转入表达载体,由此获得一个表达载体库。接着就可以将表达载体转入昆虫细胞(Sf9等)或哺乳动物细胞(HEK293)中,以催化结构域融合蛋白的形式表达。分泌表达的糖酶再被分离纯化,用于下一步结构和功能的研究。糖酶库的构建流程。图片来源:Nat. Chem. Bio.研究团队最终得到了一个涵盖339种糖酶的酶库。结果显示,在昆虫和哺乳动物细胞中,很多糖酶可以高水平表达,但具体到特定的酶在哪个系统中表达得更好就不好说了,需要分别尝试。这是个巨大进步。遥想当年有人想在更简单的原核细胞(如大肠杆菌)中表达糖酶,大部分尝试都折戟沉沙。而这一次的宿主细胞是更复杂的真核细胞,需要对编码酶的基因进行相当程度的修饰才能表达,但他们成功了。甜甜的生命这篇文章的通讯作者之一Kelley Moremen表示,“研究动物细胞的聚糖结构一直是个巨大的挑战,尤其是技术方面。为了理解这些分子如何在细胞表面表达,如何调控并实现功能,我们必须先搞清楚酶的特性,因为这些酶负责制造、修饰、降解聚糖。” [2]其实聚糖的重要性,早在高中生物课本中就有体现。来跟小氘一起复习:构成生物系统的四类大分子是核酸、蛋白质、脂质和聚糖。聚糖对维持细胞结构和功能必不可少,同时也在细胞信号传导、免疫和炎症反应中发挥关键作用。细胞表面的聚糖可以说是细胞的“身份证”。它们可以将白细胞引到发生感染的部位,使免疫功能准确响应。在流感早期阶段,流感病毒能够识别细胞表面的聚糖,并与之结合,附着在人类宿主细胞上。细胞表面的聚糖分子。图片来源:Nat. Methods[4]不过免疫系统也能反过来利用聚糖发现病原体。免疫系统能够识别并学习病毒、细菌和其他入侵者表面的聚糖,建立先天性和适应性的免疫防御机制。最简单的糖分子——葡萄糖也是非常重要的生物分子。葡萄糖是合成很多聚糖的原料,更是人体主要的能量来源。葡萄糖代谢机制发生障碍则会导致糖尿病等严重的代谢疾病。血糖过高会损伤多种器官,更可能诱发心血管疾病。而血糖过低则可能使人晕眩,甚至因能量不足而猝死。能源方面,聚糖同样不可忽视。植物细胞的细胞壁重要由聚糖组成,地球上生物质主要以聚糖形式存在。因此,植物的聚糖是发展可持续能源的重要选项。虽然生命离不开聚糖,但它始终没有和分子生物学界的“双雄”——核酸和蛋白质——一样平起平坐。主要原因在于聚糖结构过于复杂且没有规律。给蛋白质穿上“糖衣”从基因到蛋白质的“中心法则”简单明了,至少大多数情况下是这样。也许是冥冥中注定,中心法则的规律可能是生物大分子中最简单的规律。DNA只由4种核苷酸以不同的顺序组成,转录成RNA,再翻译成蛋白质。聚糖的产生就复杂得多了。生物体合成聚糖没有类似于合成核酸或蛋白质那样的模板,而是在复杂的环境因素中,如细胞代谢、细胞类型、发育阶段、营养丰度等,根据需要进行组装。神经细胞、皮肤细胞或肌肉细胞都有自己专门的聚糖,病变细胞的聚糖也会有特征性的修饰。为了合成如此种类繁多的聚糖,生物体必然需要大量功能各异的酶为其服务。人类基因组中编码蛋白质的基因只有大约19,000个,[5] 翻译后表达的蛋白数量也不是很多,如何产生如此复杂的生理过程呢?聚糖在这里功勋卓著。蛋白质一旦合成,它的氨基酸序列不会改变,四级结构也就基本固定了,只有在受到外界作用时才会产生构象改变。但聚糖或糖基化修饰相当于蛋白质的“大衣柜”,换一套衣服就是一副全新的面孔和功能。聚糖的加入使原本简洁的中心法则变得变化多端。一个基因指导合成一个功能和结构单一的蛋白质已经无法解释很多生理现象,必须考虑糖的作用。聚糖在蛋白质上看似微小的修饰,对人类的健康和疾病具有深远意义。例如,研究细胞和蛋白质异常的糖基化已经成了癌症研究领域的新战场。再回到糖酶库的工作,研究者们为糖生物学提供了宝贵的表达载体库资源,全世界的研究人员都可以通过DNASU(一个质粒共享机构)[6] 获得需要的质粒。在新酶库的帮助下,聚糖会不会在基因组学、蛋白质组学、化学合成、材料科学和医学等领域迎来甜蜜的春天呢?一起期待吧。编译自:1. Expression system for structural and functional studies of human glycosylation enzymes. Nat. Chem. Bio., 2018, 14, 156, DOI: 10.1038/nchembio.25392. https://biodesign.asu.edu/news/sugar-coated-world3. https://www1.gifu-u.ac.jp/~kassei1/iCeMS_Gifu/newpage7.html4. https://www.nature.com/articles/nmeth0111-555. Multiple evidence strands suggest that there may be as few as 19,000 human protein-coding genes. Hum. Mol. Gen., 2014, 23, 5866, DOI: 10.1093/hmg/ddu3096. http://glycoenzymes.ccrc.uga.edu/(本文由氘氘斋供稿)

来源: X-MOL 2018-02-02

磷-硼脱硫法:一种简单有效的多肽蛋白合成及特异性氘化反应

随着生物医学的快速发展,多肽及蛋白质的化学合成也越来越多地受到人们的关注。通过化学合成的方法,人们不仅可以将20种天然氨基酸以外的非天然氨基酸插入序列的任意位置,而且能够实现特定位点的蛋白翻译后修饰。然而传统的酰胺缩合反应难以实现较长肽链(50个氨基酸以上)的合成,并伴有产率低、易消旋等缺点。为此,人们希望能够通过化学选择性的连接过程对两段未保护的肽链进行偶联,在连接位点形成天然的肽键且不导致差向异构化。1994年,芝加哥大学的Stephen Kent教授课题组报道了一种基于半胱氨酸的天然化学连接(Native Chemical Ligation, NCL)反应(Science, 1994, 266, 776)。NCL利用N端半胱氨酸与C端硫酯之间的硫捕获及S-N部分酰基的迁移,可以高效生成“任意氨基酸-半胱氨酸”位点的肽键,并具有高化学选择性。然而,半胱氨酸的丰度较低(蛋白中的丰度为1.4%),极大地限制了NCL在蛋白合成方面的应用。为了解决此类问题,香港大学化学系的李学臣(点击查看介绍)课题组发展了丝氨酸/苏氨酸的连接反应(Serine/Threonine Ligation, STL)。在过去的数年中,他们将该反应相继成功应用于多肽药物(Org. Biomol. Chem., 2013, 11, 5584)、蛋白质ACYP1(Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2013, 110, 6657)、糖蛋白IL-25(J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 10477)、核蛋白HMGA1a(Org. Lett., 2016, 18, 5944)、重复序列糖肽MUC1(Chem. Commun., 2013, 49, 6200)、环肽抗生素与天然产物(J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 6272; Org. Biomol. Chem., 2013, 11, 7616; Tetrahedron, 2014, 70, 7770; Nat. Commun., 2016, 7, 12394)以及高张力环状四肽(Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 10212)的合成,并对该反应的机理进行了研究(Front. Chem. Biol., 2014, 2, DOI: 10.3389/fchem.2014.00028)。另外一个策略是首先在天然氨基酸的β或γ位引入巯基,然后完成类似NCL的连接过程,最后通过脱硫反应实现相应氨基酸位点肽键的生成。2001年,Dawson课题组报道了Pd/Al2O3和兰尼镍参与的脱硫反应(J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 526),成功将NCL产物中的半胱氨酸转化为丙氨酸,然而金属配合物极易与蛋白发生吸附。随后Danishefsky课题组报道了VA044/TCEP/tBuSH引发的无金属参与的自由基脱硫反应,引起该领域的技术革新,并得到了广泛的应用(Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 9248)。最近,李学臣课题组使用简单的硼-磷试剂,不仅能够实现多肽和蛋白的脱硫反应,而且还能在脱硫的位置特异性地引入氘元素。这一研究成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上(VIP paper),论文的第一作者为博士研究生金康。作者首先以简单的含硫多肽H-ACVCVRPRVMG-OH为底物,对多种反应条件进行了筛选。最终确定了使用TCEP-NaBH4或TCEP-LiBEt3H的pH = 6.0~7.0缓冲溶液为最优的反应条件。研究发现,TCEP以及硼试剂的投料顺序对反应同样具有至关重要的影响,如果先投入TCEP,或者先把两种试剂混合,反应都可顺利进行,而先投入NaBH4或LiBEt3H,反应则不能发生。随后作者又对含硫底物的适用范围进行考察,发现不同底物可以特异性地与半胱氨酸的巯基反应,而其他含硫基团,如Met、Biotin、Thz等均不受影响。为了进一步拓展该方法的适用范围,作者分别选用两条磷酸化及巴豆酰化的含硫多肽作为底物,并使用“磷-硼脱硫法”成功将半胱氨酸残基转化为丙氨酸残基。与此同时,磷酸基团与含有C=C双键的巴豆酰基均未受到影响。此外,作者通过NCL与“磷-硼脱硫法”串联的方法还完成了天然活性环肽Dichotomin C 和Dichotomin E 的全合成。随后,作者对该反应进行了初步的机理探究,并提出了较为合理的反应历程。在机理探究的过程中,作者还发现,使用重水作为反应溶剂可以成功将氘元素特定地引入脱硫位置。为了进一步验证反应的适用性,作者再次通过NCL与“磷-硼脱硫法”串联的策略成功实现了天然蛋白质ubiquitin、γ-synuclein 以及histone H2A 的全合成。该论文作者为:Kang Jin, Tianlu Li, Hoi Yee Chow, Han Liu, Xuechen Li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):P−B Desulfurization: An Enabling Method for Protein Chemical Synthesis and Site-Specific DeuterationAngew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 14607, DOI: 10.1002/anie.201709097李学臣博士简介李学臣,香港大学化学系副教授;2006年于哈佛大学获得博士学位,2007-2009年于斯隆-凯特癌症研究中心从事博士后研究,2009年起供职于香港大学化学系。李学臣博士主要从事蛋白质、多肽及多糖的化学合成和化学生物学的研究,具体内容包括蛋白质化学合成新方法的研究(丝氨酸/苏氨酸连接反应, Serine/Threonine Ligation)、具有重要生物活性的环肽天然产物及结构类似物的合成与药物化学研究、疾病相关多糖的全合成研究、化学选择性蛋白质修饰研究等。李学臣http://www.x-mol.com/university/faculty/7051 课题组主页http://www.chemistry.hku.hk/staff/xcli/XCLiGroup/index.html

来源: X-MOL 2018-01-29

Nature子刊:牛仔裤染色大改进,化学家让时尚更环保

有人说时尚是一种轮回,但牛仔裤似乎一直是时尚的宠儿,哪个年轻人的衣柜里没有几条牛仔裤?牛仔裤非常百搭,贴身的剪裁可以衬托出身姿的曼妙,肥大款又或破几个洞则彰显着个性的不羁。牛仔裤的另一个让人爱死的优点是耐磨。如果保养得当,一条优质牛仔裤可以陪你走过很长的岁月,渐渐产生只属于你一个人的痕迹和色调。图片来源:电影《变形金刚》 / Paramount Pictures牛仔裤的灵魂当然是它的蓝色。由于水洗程度不同,牛仔裤可能有几百种不同深浅和饱和度的蓝色。但它们都来自一种历史悠久的染料——靛蓝(Indigo),这种天然的蓝色最早从植物(如木蓝、菘蓝、蓼蓝等)中提取。时至今日,北美淘金者带火的牛仔裤受到全世界人民的狂热追捧,每年产量几十亿件。这么大的产量显然不能依赖植物提取的染料了,实际上现在大部分牛仔裤的染料是合成靛蓝,年产量数万吨。如此之大的产量也带来了不少环保问题。首先,合成靛蓝的原料是石油化工产品苯胺,合成靛蓝的过程也涉及多种有毒有害的化学品,如氰化氢、甲醛、强碱等等。其次,靛蓝有个大缺点——不溶于水,这使得染色过程中它必须先被转化为能溶于水的形式——靛白(也称隐色靛蓝,Leucoindigo),再用于布料染色,这个过程需要使用超量的还原剂连二亚硫酸钠,会产生大量具有腐蚀性的硫酸盐和亚硫酸盐废物。不少不良厂商为了减少成本,将污水不经处理直接排放,这就是为什么纺织染色会成为世界上污染最严重的行业之一。在中国、东南亚一些牛仔裤加工厂比较密集的地方,大量未经处理的污水甚至可以将河流变成蓝色。“牛仔之乡”新塘的一处河流。图片来源:Google satellite因此,牛仔裤加工业迫切需要更清洁更环保的染色工艺。最近,加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的John E Dueber等研究者在Nature Chemical Biology 报道了他们发明的一种新方法,用基因改造后的大肠杆菌(Escherichia coli)使靛蓝染色的过程更加环保。化学合成法和生物合成法生产靛蓝路线比较。图片来源:Nat. Chem. Biol.那么,细菌是如何给牛仔裤上色的呢?研究者的策略是“师法自然”。菘蓝(Polygonum tinctorium)等植物叶子里含有靛蓝前体——吲哚酚(Indoxyl)。但这种物质很不稳定,植物用葡萄糖作为保护基团,在葡萄糖基转移酶(UDP-glycosyltransferase,UGT)作用下将它转化为稳定的无色分子——吲哚苷(Indican),以便储存。在特殊情况下,植物中的另一种酶β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,BGL)能脱掉吲哚苷的保护基团,使之又重新转化为吲哚酚,吲哚酚再自发氧化,经由靛白中间体形成靛蓝,将叶子的颜色改变成蓝色。菘蓝叶片中的靛蓝生物合成。图片来源:Nat. Chem. Biol.更让研究者惊喜的是,吲哚苷具有成为优秀染料的一切品质:在宽广的pH和温度范围内的水溶性和稳定性都十分优秀;此外,在吲哚苷直接染色棉纤维时,吲哚酚的形成在空间和时间上都能较容易地进行控制,这意味着随后吲哚酚在空气中被氧气氧化形成靛蓝从而完成染色的过程也是可控的。于是,借助基因工程手段,研究者向大肠杆菌中转入菘蓝葡萄糖基转移酶基因PtUGT1,使这种细菌也能由色氨酸出发合成吲哚苷。然后将吲哚苷提取,溶解在水中,添加β-葡萄糖苷酶BGL脱去吲哚苷的保护基葡萄糖,重新形成吲哚酚,在空气中吲哚酚会自发氧化成靛白并最终形成靛蓝,完成染色。大肠杆菌中产生吲哚苷,并最终形成靛蓝的路线。图片来源:Nat. Chem. Biol.这个路线相当机智(当然首先感谢大自然的鬼斧神工),它同时解决了两个传统靛蓝生产及染色环节中的污染源,可谓一石二鸟。首先,它采用生物合成方法,避免了化学合成法中可能的污染。其次,和以往的直接生物合成靛蓝的路线相比,这条路线合成的吲哚苷可以直接用于染色,无需使用还原剂将靛蓝转化成靛白,也减少了很多污染。在布料染色实验中,与标准品相比,相同浓度的生物合成吲哚苷在BGL酶作用下的染色能力丝毫不差(下图a)。作为证明,研究者还用生物合成的吲哚苷染了一条围巾(下图b),经过水洗,蓝色依然可以保留,同样可以产生牛仔布“洗的发白”的效果(下图c)。生物合成法制造的吲哚苷染色实验。图片来源:Nat. Chem. Biol.不过这一新方法必须继续优化才能实现工业化生产。目前,染料工业每年合成数万吨靛蓝,要想实现如此大的生产规模,生物合成方法的路线需要继续优化,成本也必须降低。其次,水解吲哚苷使其转化为吲哚酚的β-葡萄糖苷酶成本较高,还需要找到方法降低该酶的成本或者找到替代的廉价催化剂。最后,水解吲哚苷释放的副产物葡萄糖,也需要找到合适的方法除去。这条生物合成路线一天能够产生约3 g/L吲哚苷染料。图片来源:Nat. Chem. Biol.小氘相信,只要工业界的需求足够强大,降低成本不是难事。生物燃料能够便宜到商业化的一个重要原因就是使用了来自真菌的酶。用类似的方法开发释放吲哚酚的β-葡萄糖苷酶并非不可能。牛仔裤的流行程度没有丝毫褪色的迹象,或许未来我们穿在身上的就是细菌分泌染料染色的环保牛仔裤。It's so cool !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):Employing a biochemical protecting group for a sustainable indigo dyeing strategyNat. Chem. Biol., 2018, DOI: 10.1038/nchembio.2552(本文由氘氘斋供稿)

来源: X-MOL 2018-01-24

Nature封面:监听细菌的“顺风耳”

微生物群落已经在人类身体里生活了数百万年,它们和人类一起进化,能感知人体内外环境的变化,反映出人体健康水平,也与不少疾病直接相关。以最近研究火热的肠道菌群为例,它们与人类的多种疾病有关,例如肥胖、哮喘、肠道炎症、多发性硬化、帕金森症等等,甚至还能决定抗癌免疫疗法是否有效。另外,科学家们也开始使用经过基因改造的细菌来进行疾病的治疗和诊断,例如治疗癌症。要想深入理解人体的微生物群落,以及精确控制细菌疗法和诊断方法,准确、无创地监测它们是关键之一。不过,监测肠道深处的细菌是一个巨大的挑战。肠道本身非常曲折,而其中生活的微生物群落更是使肠道像热带雨林一样复杂。细菌的体积又非常小,监测肠道中的细菌就如同在热带雨林中找一只蚊子,难度可想而知。虽然人类依靠显微镜为核心的光学成像技术能够很好地观察细菌,但光成像的缺点在于穿透性差,只能看到表面一层物质。什么检测手段穿透性好、方便而且对身体没有损伤呢?最常见的就是超声波了,医院里的B超、彩超都是用超声波检测体内器官的方法,一般原理是超声波发生器对检测部位发出超声波,超声波撞到待测组织或器官便会反射回信号接收器,结果软件处理,便能给出实时的组织、器官动态图片。但细菌这么小,超声波管用吗?近日,美国加州理工学院(California Institute of Technology)的Mikhail G. Shapiro(点击查看介绍)研究团队利用超声波成像技术,创造性地发展了一种能够无创、实时监测体内细菌下落的“顺风耳”。他们利用基因工程技术把“声学报告基因(acoustic reporter genes)”转入细菌中,使得工程菌可以形成一种充气的蛋白质纳米结构——“气泡(gas vesicles)”。在工程菌中,这些气泡可以反射超声波,从而帮助在体内深处检测和定位这些细菌。检测深度超过10 cm,分辨率小于100 μm,可检测体积密度低于0.01%的工程菌。这种类似声纳原理的解决方案以封面文章的形式发表在近期的Nature 上。图片来源:Nature在自然界中,气泡这种充气的蛋白质纳米结构广泛存在于很多水生光合微生物体内,可以帮助它们浮在水面吸收阳光。作者仔细研究了编码这些蛋白质的基因簇,并将其转入大肠杆菌(Escherichia coli)和鼠伤寒沙门氏杆菌(Salmonella typhimurium)进行表达,在这两种工程菌中形成了可以反射超声波的气泡。投射电镜(TEM)照片表明,表达了声学报告基因的大肠杆菌(下图左)内部充满了气泡,与野生型(下图右)完全不同。表达声学报告基因的细菌(左)以及对照组野生型细菌(右)TEM图像。图片来源:Nature超声波向可能有细菌存在的区域发出后,碰到细菌里的气泡便会发射回来。但如何保证反射回来的信号不是因为碰到了其他东西呢?作者对细菌施加声脉冲以产生压力引发气泡破碎,气泡破碎之后内中气体会溶解,这时候超声波便不会被反射,超声信号消失。用这种方法可以确定哪些反射声波是源自气泡,极大提高了信噪比(下图a)。而且,作者还非常机智且精细地设计了气泡组成,使得两种气泡破碎所需的压力不同,这样就可以同时检测两种(甚至多种)含有不同气泡的细菌。如此以来在监测肠道内多种细菌在时间和空间上的分布(下图b)。超声波检测细菌内气泡原理图(a)及潜在应用(b)。图片来源:Nature作为一种新方法,自然要diss一番老方法。研究者比较了超声波法和发光分子成像法监测细菌位置的能力,使用的细菌是来自肠道深处的菌株,平时很难用光学方法看到。在小鼠模型中,超声波表现给力,能够提供高水平的空间分辨率,而且可以探测到发光法无力触及的深度区域。超声法检测到小鼠结肠中的细菌(左),而发光法只能显示细菌在腹腔中,不能提供进一步的细节(右)。图片来源:Nature肿瘤内部的缺氧环境对沙门氏菌等厌氧菌很有吸引力,这些细菌很容易在肿瘤内部富集。因此,科学家们也试图利用这种细菌来诊断和治疗癌症(点击阅读相关)。以往对这些诊断和治疗方法的监测和评估往往通过发光法进行,但这种方法却无法用于更深处的肿瘤,除非进行手术。与之相比,超声法一样表现出了巨大的优势。在小鼠体内肿瘤的深处,作者同样获得了经基因改造表达气泡的鼠伤寒沙门氏菌的清晰超声图像。超声法检测到小鼠体内肿瘤中的细菌,气泡破碎前(左)和气泡破碎后(右)。图片来源:Nature用超声波检测细菌的灵敏度也非常高。实验表明超声成像技术对高度稀释的细菌群落也有效。检测大肠杆菌信号时,浓度低至5 X 107个细胞/毫升也能清晰地监测细菌的位置。本文的超声法还有希望与另一种基于声波的成像技术——光声成像(photoacoustic imaging)相结合,除了可以精确地给细菌定位,还能同时获得周围组织的详细信息。此外,作者还设想了超声法的更多可能应用。比如,通过选择性地控制声学报告基因的表达,工程菌可以被设计成在特定的肠道生理和环境条件下或者与特定细菌相互作用时发出超声信号,以此监测肠道的生理环境和肠道菌群的变化。还比如,超声法还可能用于调查土壤中微生物群落的分布情况,高效、精确地分析土壤中的微生物生态系统。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):Acoustic reporter genes for noninvasive imaging of microorganisms in mammalian hostsNature, 2018, 553, 86-90, DOI: 10.1038/nature25021导师介绍Mikhail G. Shapirohttp://www.x-mol.com/university/faculty/470(本文由氘氘斋供稿)

来源: X-MOL 2018-01-15

复旦大学陈国颂-江明课题组JACS:糖组装体的构筑效应影响巨噬细胞吞噬效率

细胞表面由复杂的糖萼所覆盖,其中的糖分子参与细胞间通讯、信号转导等多种生命过程。考虑到复杂的糖结构,采用糖聚合物组装所形成的组装体来模拟糖萼结构是一种实际可行的研究策略。复旦大学的陈国颂-江明课题组在此领域已开展多年研究。在前期研究中发现,含糖组装体能够改变巨噬细胞的分型,激活巨噬细胞,并发现组装体形貌对巨噬细胞的吞噬效率有一定影响。为了探索复杂糖结构对于含糖组装体功能的影响,课题组提出使用含多种糖分子的杂壳胶束策略来更好地模拟糖萼结构,并首次研究了杂壳胶束的构筑效应对于含糖组装体功能的调控。他们使用了具有良好生物相容性和可降解性的聚酯作为聚合物骨架,通过后修饰获得了多种含糖聚酯,并进一步获得了具有不同壳构筑(architecture)的含糖杂壳胶束,主要包括:(1)具有均一壳结构的杂壳胶束(MG),这里胶束表面两种不同的糖分子(甘露糖和半乳糖)均匀分布;(2)由分别修饰有上述两种糖的聚酯获得的链共混杂壳胶束(M/G),这里两聚合物链虽然具有相同的骨架,但会相分离。经过多种实验手段的综合研究,他们发现MG胶束被巨噬细胞摄取的能力要远远大于相分离M/G胶束。研究表明,这明显区别的根源是,MG在胶束与细胞作用的过程中能同时与细胞表面多个受体结合,而M/G胶束表面因为相分离,只有一种糖分子能参与受体的结合(见图)。换言之,M/G胶束表面的相分离是造成该差异的决定性因素。同时,通过对于含糖聚酯结晶性的研究,他们发现甘露糖和半乳糖虽化学结构差别极小,但前者不明显影响主链聚酯的结晶性,而后者导致聚酯不能结晶,这更促进了链共混胶束M/G中相分离的发生。相关工作已发表在J. Am. Chem. Soc.上,并被选为ACS Editors' Choice。复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室为第一单位,第一作者是复旦大学博士研究生吴利斌,陈国颂教授为通讯作者。上述研究得到了国家自然科学基金委的资助。该论文作者为:Libin Wu, Yufei Zhang, Zhen Li, Guang Yang, Zdravko Kochovski, Guosong Chen*, and Ming Jiang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):“Sweet” Architecture-Dependent Uptake of Glycocalyx-Mimicking Nanoparticles Based on Biodegradable Aliphatic Polyesters by MacrophagesJ. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 14684-14692, DOI: 10.1021/jacs.7b07768陈国颂教授简介陈国颂,女,复旦大学高分子科学系教授,1997-2006年7月在南开大学化学系学习,先后获得理学学士学位和物理化学博士学位。2006-2008年在美国爱荷华州立大学做博士后研究,方向是糖化学。2008年12月回国在复旦大学高分子科学系任教,历任讲师、副教授,2014年12月起任教授、博士生导师。主要研究方向是生物大分子自组装与免疫功能。2013年起先后获得NSFC优秀青年基金、中组部万人计划青年拔尖人才、上海市教委“曙光学者”、上海市科委“青年科技启明星”等人才项目的资助。作为通讯作者,在J. Am. Chem. Soc., Nature Communications, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Materials 等杂志上发表论文40余篇。2017年起被选为英国皇家化学会会士(FRSC), 任Polymer Chemistry、 Bioconjugate Chemistry 等杂志国际顾问编委。http://www.x-mol.com/university/faculty/45872

来源: X-MOL 2018-01-15

第十八期CRISPR/Cas9基因靶向修饰技术学习班

2018年1月26-28日 周五-周日 25日报到(理论与实验相结合)参会学员免费获得一份CRISPR/Cas9三合一对照质粒主讲老师:赵庆顺 教授◆ 南京大学模式动物研究所 遗传学与发育生物学教授 ◆ 学士(1983-1987年,南京大学)、硕士(1987-1990年,南京大学)、博士(1996-2001,普渡大学)◆ 2001-2003年在杜克大学医学中心进行博士后训练◆ 2003年全职加入南京大学模式动物研究,2006年晋升为教授往期学员评价评价一:CRISPR/Cas9系统是一种新兴的基因定点编辑技术,越来越被研究者所关注。在赵庆顺教授理论结合实际、幽默接地气的授课方式下,为期两天半的培训轻松且充实,让我从对CRISPR/Cas9技术的毫无所知,到对该技术原理及应用有了的全面认识;同时,结合开展的实验环节,掌握了CRISPR序列的设计,基因组编辑工具的制备及向细胞内递送的方法;熟悉了利用CRISPR技术在动植物中敲入和敲除的过程;了解了CRISPR/Cas9脱靶问题解决方案。通过本次学习,受益匪浅!评价二:有幸全程聆听赵教授的课,教授授课逻辑性非常强、条理清晰、讲解生动细致、内容丰富。教授知识面很广、知无不答言无不尽,绝对是个专业的研究学者。特别是对哪些技巧和注意哪些关键点讲的非常实用。比较适合从事动物植物细菌等微生物研究人员来学习。课程安排合理,由浅入深,适合不同人群,希望这个班能让更多的科研人员获益。评价三:我是2016年在上海参加过赵教授的学习班,因我基础比较差,在实际应用过程中遇到了很多的问题,非常感谢南京尧顺禹生物科技有限公司工作人用耐心细致的课后服务。2017年2月主办单位上海玮瑜生物科技有限公司谢老师告知我老学员可以终身免费继续学习,我又去了一次南京。真是每一次都有不同的收获,感谢感谢再感谢,也祝玮瑜公司越办越好。本期课程安排第一天上午9:00-12:00第一讲、基因组靶向修饰技术简介1、基因组靶向修饰技术发展简史2、基因组编辑技术的工作原理3、第一代基因组编辑技术ZFN4、第二代基因组编辑技术TALEN5、第三代基因组编辑技术CRISPR/Cas9     第二讲、CRISPR的设计1、CRISPR设计的依据及原则2、常用CRISPR设计软件简介3、CRISPR的在线设计演练4、靶向编辑基因的基因型确认(目标基因扩增引物设计策略)及CRISPR的再设计第一天下午13:00-17:00第三讲、CRISPR/Cas9基因组编辑工具的制备及向细胞内的递送策略1、DNA形式的基因组编辑工具的制备与递送2、RNA形式的基因组编辑工具制备及递送3、RNP形式的基因编辑工具的制备与递送实验一: CRISPR/Cas9 基因组编辑工具All-in-One表达质粒的构建(1) CRISPR模板的制备第四讲、sgRNA活性验证1、体外法2、体内法2.1 插入缺失(Indel)突变检测的基本策略2.2 基于胚胎反应器的活性验证方法2.3 基于细胞系的活性验证方法 实验二: CRISPR/Cas9 基因组编辑工具All-in-One表达质粒的构建(2)CRISPR模板与线性化All-in-One载体的重组、 转化、 携带基因组编辑工具的转化子的培养实验三:sgRNA活性体外验证(1) 酶切反应的建立第二天上午9:00-12:00第五讲、利用CRISPR技术创建基因组编辑细胞系1、基因敲入(如点突变和报告基因等)的供体设计原则及实例分析2、基因组编辑工具导入细胞系的方法(转染与转导)3、基因组编辑细胞系的筛选及基因型的快速确认4、敲入和/或敲除基因的功能确认策略实验四:CRISPR/Cas9 基因组编辑工具All-in-One表达质粒的构建(3)阳性转化子的快速验证法(PCR法) 实验五:基因组编辑突变体子的基因型鉴定 (1)基因组DNA模板的快速制备、目标基因组DNA片段的PCR扩增 第二天下午13:00-17:00第六讲、利用CRISPR技术创建基因敲除或敲入动物突变体1、RNA或RNP基因组编辑工具(和供体)递送至受精卵2、初建者(F0)体细胞携带靶向突变等位基因的确认3、基因组编辑突变体(F1)的筛选4、建系(F2)5、基因敲除/敲入的功能确认策略第七讲、利用CRISPR技术创建基因敲除或敲入植物、真菌 和 细菌突变体1、基因组编辑工具的制作2、基因组编辑工具的递送3、基因组编辑突变体(F1)的的筛选4、建系(F2)5、基因敲除/敲入的功能确认 实验六:CRISPR/Cas9 基因组编辑工具All-in-One表达质粒的构建(3) 电泳确认实验七:sgRNA活性体外验证(2)电泳观测sgRNA活性实验结果实验八:基因组编辑子等位基因的基因型鉴定 (2)  电泳识别基因组编辑突变体第三天上午9:00-12:00(12:00以后课程结束)第八讲、基因组编辑技术的脱靶问题1、脱靶的产生原因2、脱靶检测3、解决脱靶问题的方法4、脱靶问题对不同领域研究者的意义第九讲、利用CRISPRi或CRISPRa技术调控基因在细胞中的表达1、dCas9的特征简介2、运用CRISPR技术调控基因在细胞中表达的基本实验过程3、CRISPR技术的转录抑制4、CRISPR技术的转录活化5、碱基编辑技术简介第十讲、CRISPR技术的伦理学问题1、 新型基因组编辑技术的发展2、基因组编辑技术的应用3、基因组编辑技术的伦理学问题【主办单位】玮瑜科研平台(上海玮瑜生物科技有限公司)【承办单位】上海玮瑜生物科技有限公司【时间地点】2018年1月26-28日   南京市 浦口 南京工业大学绿色建筑产业科技园【住  宿】 为了便于接送、统一指定南京新逸天金丝利酒店,住宿自理标准间(含早)360元/人  合住180元/人 南京浦口高新区丽景路8号【收费标准】 3400元/人 (不含住宿费)  授课期间发放纸质邀请函(盖章) 按交费先后顺序确定名额及座位,注册费包含教材、午餐等费用。  【付款方式】 1、转账或支付宝: A:银行转账户名:上海玮瑜生物科技有限公司开户银行: 上海浦东发展银行大华支行账号:97340154740007035B:支付宝转账收款人:wybiot@163.com支付宝户名:上海玮瑜生物科技有限公司  2、现场刷卡或现金(支持刷公务卡)联系人:谢老师  13611825136指定报名邮箱:wybiot@126.com报名方式

来源: X-MOL 2018-01-14

谍反应家族的拓展:以序列编码正交的蛋白质反应性

近年来,以谍反应为代表的多肽-蛋白质反应对吸引了众多研究者的目光。谍反应是谍标签(SpyTag)和谍捕手(SpyCatcher)之间自发形成异肽键的反应过程。该反应的两个组分完全基于天然氨基酸单元,可以通过基因编码的方式直接将化学反应性写入蛋白质的序列中,因而在蛋白质工程、生物材料、化学生物学和合成生物学等方面具有广泛的前景。北京大学的张文彬(点击查看介绍)课题组和来鲁华(点击查看介绍)课题组通过定向进化的方式改造了野生型谍标签和谍捕手的反应性,发现在极高的序列相似度下可以编码完全不同、甚至彼此正交的反应特性。谍标签和谍捕手的氨基酸序列及折叠结构是影响其反应活性的关键因素,因此在相同的结构骨架下,通过改变序列即可改造其反应特性。但是,如何在双组份体系中区分强的物理结合作用和化学键合作用,实现化学反应性的定向进化是亟待解决的关键问题。这两个课题组首先通过计算分析了该反应对的接触界面,指认出对反应特异性和效率可能有影响的关键氨基酸残基,分别对其进行饱和突变,并通过细胞内的蛋白质原位环化反应来筛选具有反应性的突变体,实现了反应性的定向进化(图1)。图1. 谍标签和谍捕手复合物的结构及相应的定向进化过程。研究发现,增大谍标签上第三位氨基酸的侧链基团尺寸会使其对谍捕手的反应性减弱(I>F>Y>W),而减小谍捕手催化位点附近两个氨基酸的尺寸可以保留其与野生型谍标签的反应性。该谍捕手突变体BVA基本不与谍标签的酪氨酸突变体AY发生反应,但却能和具有更大侧链尺寸的色氨酸突变体Aw发生反应,并显示出与野生型谍捕手截然相反的温度依赖性。因此,野生型谍标签就好比一把万能钥匙,与谍捕手及其BVA突变体都能很好地反应;而谍标签AY就像一把子钥匙,只能选择性地和野生型谍捕手反应。有趣的是,谍标签Aw在低温下更倾向于和BVA突变体发生反应。因而在低温下,短时间内Aw 和BVA的反应与AY和B的反应之间几乎是彼此正交的(图2)。值得一提的是,这些迥异的反应特性是仅仅通过三个突变实现的。该项工作预示通过蛋白质工程可以发展反应性各异、具有不同特色的蛋白质-多肽反应对,不断丰富合成生物学的“化学工具箱”。图2. 谍标签和谍捕手的突变体展示出丰富的反应特性。这一成果近期发表在Chemical Science  上,文章的共同第一作者是北京大学博士研究生刘雅杰和博士后刘栋以及PTN(北大-清华-北京生命科学研究所)项目博士研究生杨为。该论文作者为:Yajie Liu, Dong Liu, Wei Yang, Xia-Ling Wu, Luhua Lai, and Wen-Bin Zhang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):Tuning SpyTag–SpyCatcher mutant pairs toward orthogonal reactivity encryption Chem. Sci., 2017, 8, 6577-6582, DOI: 10.1039/c7sc02686b导师介绍张文彬http://www.x-mol.com/university/faculty/8713来鲁华http://www.x-mol.com/university/faculty/8669

来源: X-MOL 2018-01-10

江南大学利用构象动力学工程方法提高脂肪酶的对映体选择性

具有高对映体选择性的酶被广泛用来生产医药中间体,然而有些酶只在低温下表现出优秀的对映体选择性,随着温度的升高,对映体选择性逐渐降低。这严重降低了生产速率,增大了生产成本,阻碍了工业化应用。那么,如何使这些酶在室温等温和条件下仍然保持高对映体选择性呢?近日,江南大学刘立明教授团队以南极假丝酵母脂肪酶B(CALB)突变体EF5催化3-TBDMSO戊二酸酐生产(R )-3-TBDMSO戊二酸单甲酯(洛伐他汀药物中间体)为模式反应,利用构象动力学工程手段进行了深入研究。研究发现,前期构建的CALB突变体EF5虽然在5 ℃下催化该反应对映体选择性(R-ee值)能够达到98.5%,但在30 ℃条件下R-ee值仅为8%。产物初始合成速率显示,温度升高,导致S 构象产物的合成速率大大增加,从而导致R-ee值降低。刘立明教授团队通过分析CALB构象动力学,发现在30 ℃下EF5的活性口袋和通道处的构象较5 ℃下发生明显增大,通过构象动力学工程识别两个关键位点(A281和D223),设计三个突变体(A281S, D223V, A281S/D223V),降低活性口袋和通道处在30 ℃下的构象动力学,显著提高了突变体D223V/A281S在30 ℃下的立体选择性(R-ee值>99%),(R )-3-TBDMSO戊二酸单甲酯的时空产率为107.54 g L−1 d−1。该研究成功利用酶的构象动力学工程提高CALB在室温等温和条件下的对映体选择性,为摆脱低温对酶工业化应用的限制提供了新的研究思路。这一成果发表在ACS Catalysis(IF 10.614)杂志上,江南大学生物工程学院15级硕士研究生杨彬为论文第一作者。相关研究得到国家自然科学基金优秀青年基金(21422602)和江苏省333工程科研资助项目(BRA2016365)的资助。该论文作者为:Bin Yang, Hongjiang Wang, Wei Song, Xiulai Chen, Jia Liu, Qiuling Luo, Liming Liu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):Engineering of the Conformational Dynamics of Lipase To Increase EnantioselectivityACS Catal., 2017, 7, 7593-7599, DOI: 10.1021/acscatal.7b02404刘立明教授简介刘立明,博士,教授,博士生导师。2006年在江南大学获发酵工程博士学位。以第一或通讯作者在Chem Rev, ACS Catal,Metab Eng, Biotech Bioeng, Appl Environ Microbiol 等生化工程主流学术期刊上发表SCI论文100余篇。刘立明教授带领的微生物制造工程课题组通过创建新一代工业菌株和性能先进的酶制剂(用于生产医药中间体和氨基酸衍生产品),以提升生物制造过程的效能,实现精细化学品和医药中间体的低成本制造,成果应用于日本味之素、安徽丰原、河北精晶等国内外知名企业。是全国优秀博士论文获得者、中组部青年拔尖人才支持计划人选、国家优秀青年基金获得者、江苏省333工程第二层次人选、科技部中青年科技创新领军人才人选。

来源: X-MOL 2018-01-07
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