勞倫斯伯克利國家實驗室分子制造與生物納米結構中心主任 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建精確三維納米結構的方式著迷。他和他的團隊正在模仿這種結構，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復雜結構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域改進天然產物的方法。例如，類脂質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，擬肽的結構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、側鏈化學和單體序列。擬肽采用二級結構并進行超分子自組裝，主要由側鏈-側鏈相互作用控制。

Ron Zuckermann 和他的團隊已經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是新的前沿。如果我們能用非天然結構塊制造出類似蛋白質的納米結構，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。這樣的結構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，我們應該能夠建立形成和組裝預定義擬肽納米結構的設計規(guī)則。我們還希望在未來幾年內發(fā)布擬肽組裝體的原子分辨率結構，就像我們今天可以發(fā)布蛋白質的 X 射線晶體結構一樣。這將幫助我們了解非天然結構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能夠對肽和聚合物中的某些物質進行特定序列控制，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域相關的材料。”

問：您如何衡量成功？
Mike：“對我來說，成功取決于產量和純度，以及獲得產品的速度和成本。這包括貨幣成本以及產生的化學廢物量。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
• 內置專利設計的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
• 內置PurePep Pathway流路系
• Single Shot^TM液體傳輸技術
• 直觀的操作軟件
• 自動原位切肽
• 自動多肽純化