南大王炜、曹毅研究团队Nat. Commun.：病原体表面含酯键蛋白力学稳定性的机理

南京大学王炜、曹毅研究团队在细菌表面黏附蛋白机理及分子机制方面取得进展，相关成果近日在Nature Communications 在线发表。南京大学物理学院雷海副研究员、博士生马泉以及李文飞教授为共同第一作者，王炜教授在课题设计、执行和论文撰写方面作出了重要的指导，物理学院的秦猛教授和化学化工学院的马海波教授也为课题做出重要贡献。

许多致病细菌如葡萄球菌、链球菌、肺炎双球菌、炭疽杆菌、白喉杆菌、破伤风杆菌等均为革兰氏阳性菌。这些细菌通过呼吸道入侵人体的时候，需要对抗人体的应急反应，如喷嚏、咳嗽等，才能够稳定粘附到呼吸道粘膜。而这些细菌如何对抗在整个入侵过程中所受到的强大的机械外力的作用获得稳定粘附的机理一直尚不明晰。科学家们发现这类细菌可以产生多种表面粘附蛋白，用于宿主表面结合、生物膜形成和免疫逃逸。这些粘附蛋白中包含特殊的分子内共价交联，包括硫酯、异肽键和酯键。因此，人们推测这些共价键键可赋予蛋白质出色的力学性质，以实现强大的表面锚定或抵抗大的机械力扰动。然而酯键在生理环境下化学稳定性较差，易于水解，人们对这些酯键在提高蛋白力学稳定性中的作用机制缺乏了解。

在该项研究中，南京大学研究团队结合原子力显微镜（AFM）单分子力谱技术、蛋白质工程以及分子动力学模拟来研究革兰氏阳性细菌表面含酯键蛋白Cpe0147中C1蛋白域的力学性质。该研究发现，即使在施加>2 nN的力拉伸情况下，C1也不能解折叠（图1），这使得C1是目前已知的力学强度最高的蛋白结构；而当对C1进行突变使其无法形成酯键再对其进行拉伸，其解折叠力仅为100 pN；此外，通过对C1进行环状突变（circular permutation），然后从不同方向拉伸该蛋白，酯键的断裂力仅为约80 pN。这些结果表明酯键以及蛋白质结构的协同作用才使得C1具有超强的力学稳定性。该团队进一步通过分子动力学模拟，发现这是由于在受到外力拉伸后，酯键的存在使得C1只有两端的部分beta片发生形变，而整体结构保持完整，这种结构的完整性起到物理隔离作用，阻止了环境中的水分子对酯键的进攻，有效地防止了酯键的水解。正是这种协同作用使得蛋白在生理环境下展现出极高的力学稳定性。研究团队还进一步发现，当蛋白处在由炎症反应而产生的病理环境（如碱性或低钙离子浓度）下并不稳定，病理环境使得蛋白结构更为动态，削弱了蛋白结构对酯键的保护，使其易于水解，进而降低了蛋白整体的力学稳定性。基于这一发现该团队提出了革兰氏阳性菌在入侵人体过程中、锚定、迁移受生理、病理不同微环境调控的假说（图2）。这些研究为含酯键蛋白高力学稳定性提供了分子物理机制，同时也为通过该分子机制设计新型抗菌药物提供了思路。

图1. 含酯键蛋白C1结构，原子力显微镜实验示意图以及力谱拉伸曲线。

图2. 含酯键蛋白受环境调控的力学强度对细菌粘附的影响机制。

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An ester bond underlies the mechanical strength of a pathogen surface protein

Hai Lei, Quan Ma, Wenfei Li, Jing Wen, Haibo Ma, Meng Qin, Wei Wang & Yi Cao 

Nat. Commun., 2021, 12, 5082, DOI: 10.1038/s41467-021-25425-6

团队介绍

王炜，南京大学教授。1999年被聘为教育部长江奖励计划特聘教授(理论物理)，1996年度获国家杰出青年基金，1997年获香港求是基金会-杰出青年研究奖(物理学)，科技部973项目“非线性科学及其重要应用”首席科学家(2007-2011)，科技部973项目“与激光聚变、自然灾害和深空探测等相关的非线性动力学斑图和轨道稳定性研究”首席科学家(2013-2017)。现任美国《Proteins》等杂志编委。在Nature子刊、PNAS、PRL和JACS等期刊上发表学术论文300余篇。2010年获教育部自然科学成果奖一等奖。

https://www.x-mol.com/university/faculty/50206 

曹毅，南京大学教授。1997-2004 在南京大学化学化工学院高分子系获得学士和硕士学位；2004-2010在加拿大不列颠哥伦比亚大学化学系获得博士学位并进行博士后研究，2010年至今任职于南京大学。获国际纯粹与应用物理协会 C6 青年科学家奖 (2014)，国家自然科学基金委优秀青年基金项目（2015）。他的研究领域：主要从事生物高分子材料的物理力学特性研究，在Nat. Chem., Nat. Mater., Nat. Nanotech., Nat. Commun., Sci. Adv., PRL, JACS, Angew. Chem.等杂志以通讯作者或第一作者发表论文100余篇。

https://www.x-mol.com/groups/nju_biomech 

雷海，南京大学副研究员。2006-2010年，在南开大学物理学院获得学士学位；2010-2017年在天津大学精密仪器与光电子工程学院获得硕士和博士学位；2015-2016年在加拿大不列颠哥伦比亚大学化学系博士联合培养。他的研究领域：主要从事微纳精密测量、生物单分子技术及软物质材料力学特性研究，研究成果发表在Nat. Commun、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem.等期刊。