勞倫斯伯克利國家實驗室分子制造與生物納米結(jié)構(gòu)中心主任 Ron Zuckermann（http://foundry.lbl.gov）長期以來一直對自然條件下生物通過線性聚合物折疊構(gòu)建精確三維納米結(jié)構(gòu)的方式著迷。他和他的團隊正在模仿這種結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出新穎而堅固的納米級仿生聚合物，稱為“擬肽”。

擬肽彌補了天然蛋白質(zhì)復雜結(jié)構(gòu)與合成聚合物的堅固性和化學多樣性之間的差距，它們提供了一種在特定應用領(lǐng)域改進天然產(chǎn)物的方法。例如，類脂質(zhì)擬肽可以模仿天然膜，并可以自組裝成比肥皂泡更薄更穩(wěn)定的薄片。該薄片可以選擇性地與生物靶標結(jié)合，其表面環(huán)類似于分子尼龍搭扣。它們可以承受各種液體的浸泡，在某些情況下甚至可以自我修復。像這樣的人造膜為開發(fā)天然膜的特性提供了新途徑，例如制造水過濾器、傳感器、藥物遞送裝置或燃料電池。
 

圖1 . 擬肽是由重復的 N 取代甘氨酸單體組成的肽模擬聚合物，其中側(cè)鏈連接到氮原子而不是 α 碳。它們可以使用全自動多肽合成儀從簡單的構(gòu)建塊輕松組裝而成。（圖片改編自 http://www.neuromics.com/overview-of-peptoids-and-peptoid-libraries）

與多肽相比，擬肽的結(jié)構(gòu)修飾提高了其對蛋白水解的抵抗力，并使得高度化學多樣化的序列信息能夠被編碼到鏈中。擬肽可以通過固相多肽合成的方式高效合成，使用現(xiàn)成的試劑，完全控制鏈長、側(cè)鏈化學和單體序列。擬肽采用二級結(jié)構(gòu)并進行超分子自組裝，主要由側(cè)鏈-側(cè)鏈相互作用控制。

Ron Zuckermann 和他的團隊已經(jīng)建立了一個擬肽合成中心，供 Molecular Foundry 用戶使用，其中 Gyros Protein Technologies （PTI）的幾臺全自動多肽合成儀發(fā)揮著核心作用。該團隊正在開發(fā)大量信息豐富的肽聚合物組合庫，可以篩選出各種功能序列。Molecular Foundry 研究工作的關(guān)鍵推動者是首席科學工程助理 Mike Connolly，他負責提供高效的合成支持。我們借此機會向 Ron 和 Mike 詢問了他們的工作，以及為什么 Symphony^® X 全自動多肽合成儀在他們的工作中發(fā)揮了如此重要的作用。

問：擬肽研究的前景如何？
RON：“我認為制造人造蛋白質(zhì)是新的前沿。如果我們能用非天然結(jié)構(gòu)塊制造出類似蛋白質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)，那么我們就可以制造催化劑、合成抗體。也許它們可以做像生物體一樣神奇，同時更加穩(wěn)定。這樣的結(jié)構(gòu)在需要分子識別的應用中非常有用，例如治愈疾病、水凈化以及檢測化學和生物制劑。”

問：您如何看待未來幾年擬肽研究的發(fā)展？
RON：“在未來幾年內(nèi)，我們應該能夠建立形成和組裝預定義擬肽納米結(jié)構(gòu)的設計規(guī)則。我們還希望在未來幾年內(nèi)發(fā)布擬肽組裝體的原子分辨率結(jié)構(gòu)，就像我們今天可以發(fā)布蛋白質(zhì)的 X 射線晶體結(jié)構(gòu)一樣。這將幫助我們了解非天然結(jié)構(gòu)如何組合在一起并開發(fā)出自然界中無法獲得的功能性、化學穩(wěn)定性和多樣性。”

問：為什么 Symphony X 全自動多肽合成儀比實驗室中的其他系統(tǒng)更好？
Mike：“Symphony X能夠?qū)﹄暮途酆衔镏械哪承┪镔|(zhì)進行特定序列控制，這為我們提供了所需的靈活性，為材料科學家、化學家和物理學家打開了新的大門。能夠使用一整套一級胺作為構(gòu)建模塊確實很有幫助。這種功能多樣性和亞單體控制使任何人都可以合成與其研究領(lǐng)域相關(guān)的材料。”

問：您如何衡量成功？
Mike：“對我來說，成功取決于產(chǎn)量和純度，以及獲得產(chǎn)品的速度和成本。這包括貨幣成本以及產(chǎn)生的化學廢物量。Symphony X 和 Prelude^®X （PurePep Chorus上一代型號）全自動多肽合成儀是最大限度提高我們成功率的出色系統(tǒng)。”
 

圖 2 Ron Zuckermann（左）和 Mike Connolly（右） 在實驗室中。

問：是否有些實驗只有使用這些多肽合成儀才能進行？
Mike：“Gyros Protein Technologies （PTI）的全自動多肽合成儀幫助我們完成了以前無法完成的整個項目。這包括 Ron 的大型 DARPA 項目 http://today.lbl.gov/mimicking-nature-for-homeland-security/，該項目旨在構(gòu)建世界上第一個 1 億個基于擬肽的納米片庫。這個想法是在納米片表面顯示化學上不同的環(huán)，具有不同的尺寸、電荷和親水或疏水特性。每個納米片變體都將接受測試，以確定其在檢測和中和炭疽等威脅因子方面的有效性。雖然我們有其他合成器，但我永遠不會嘗試在這些機器上運行該項目，因為它們的速度太慢，或者在合成較長序列的過程中可能會降解隔膜。在 Symphony X 上，我們一次可以合成 24 個肽，而且我們經(jīng)常合成 40 聚體。”

問：您認為 Symphony X 多肽合成儀速度更快的原因是什么？
Mike：Symphony X 的試劑輸送速度比機器人類型移液系統(tǒng)快得多，因為機器人類型系統(tǒng)每次只能添加一種試劑，還要進行沖洗。氣動輸送加快了添加速度。這可以改善您的化學反應和反應時間的精確度。如果您嘗試進行短時間的孵育，其他系統(tǒng)的延長輸送時間會成為一個問題。Symphony X 還支持對二十四個反應容器進行獨立并行控制。”

“該儀器幫助我們開發(fā)出具有極短亞單體的擬肽合成方案。Symphony X 的合成周期短，能夠處理多達 400 mL 的大量亞單體胺反應，這使得該系統(tǒng)成為快速合成具有多達 50 個殘基序列的擬肽庫的理想選擇。”

問：軟件如何幫助您優(yōu)化方法？
Mike：“Symphony X的軟件比其他供應商的軟件更靈活。這包括試劑瓶存儲試劑和命名方式的靈活性。我們可以同時運行大量不同的序列，這有助于我們支持更多用戶。我可以同時在機器上放置三到四個項目，而不是像在其他儀器上那樣一次合成一個。”

“能夠在較短的時間內(nèi)進行大量合成真是太棒了。Symphony X 具有紫外線監(jiān)測功能，如果您試圖找出脫保護過程在哪里出現(xiàn)問題，這真的很有用。我們這里的研究小組在其他機器上合成困難的肽時遇到了困難，而 Symphony X 上的紫外線和加熱組合使他們能夠高效地合成純肽并提高產(chǎn)量。”

詳細了解 Molecular Foundry 如何推動擬肽納米片設計、合成、組裝和工程領(lǐng)域的前沿。
Design, Synthesis, Assembly, and Engineering of Peptoid Nanosheets. Robertson EJ et al. Acc Chem Res. 2016 Mar 15;49(3):379-89. doi: 10.1021/acs.accounts.5b00439. Epub 2016 Jan 7.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26741294

PTI全自動多肽合成儀特點簡介
Symphony X全自動高通量多肽合成儀

• 24個獨立反應通道
• 支持原位活化和預活化
• 8個試劑瓶，40個氨基酸位置
• Single-Shot^TM特殊氨基酸傳輸技術(shù)
• 內(nèi)置專利設計的PurePep Pathway流路系統(tǒng)
• 紅外加熱（選配，第一個通道）
• IntelliSynth^TM UV監(jiān)測（選配，第一個通道）
• 肽預測軟件
• 遠程郵件提醒
• 軟件設計符合21 CFR Part 11合規(guī)性
• 自動原位切肽
• 自動多肽純化

PurePep Chorus全自動多通道平行多肽合成儀

• 唯一的三位一體系統(tǒng)（合成、切割、純化）
• 可配置2、4或6個反應容器
• 選配可控感應加熱和振蕩混勻
• 選配實時紫外線監(jiān)測
• 內(nèi)置PurePep Pathway流路系
• Single Shot^TM液體傳輸技術(shù)
• 直觀的操作軟件
• 自動原位切肽
• 自動多肽純化