勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)期以來(lái)一直對(duì)自然條件下生物通過(guò)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(tuán)隊(duì)正在模仿這種結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出新穎而堅(jiān)固的納米級(jí)仿生聚合物，稱為“擬肽”。

擬肽彌補(bǔ)了天然蛋白質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)與合成聚合物的堅(jiān)固性和化學(xué)多樣性之間的差距，它們提供了一種在特定應(yīng)用領(lǐng)域改進(jìn)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(biāo)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(fù)。像這樣的人造膜為開(kāi)發(fā)天然膜的特性提供了新途徑，例如制造水過(guò)濾器、傳感器、藥物遞送裝置或燃料電池。
 

圖1 . 擬肽是由重復(fù)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(dòng)多肽合成儀從簡(jiǎn)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(duì)蛋白水解的抵抗力，并使得高度化學(xué)多樣化的序列信息能夠被編碼到鏈中。擬肽可以通過(guò)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(zhǎng)、側(cè)鏈化學(xué)和單體序列。擬肽采用二級(jí)結(jié)構(gòu)并進(jìn)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(tuán)隊(duì)已經(jīng)建立了一個(gè)擬肽合成中心，供 Molecular Foundry 用戶使用，其中 Gyros Protein Technologies （PTI）的幾臺(tái)全自動(dòng)多肽合成儀發(fā)揮著核心作用。該團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)大量信息豐富的肽聚合物組合庫(kù)，可以篩選出各種功能序列。Molecular Foundry 研究工作的關(guān)鍵推動(dòng)者是首席科學(xué)工程助理 Mike Connolly，他負(fù)責(zé)提供高效的合成支持。我們借此機(jī)會(huì)向 Ron 和 Mike 詢問(wèn)了他們的工作，以及為什么 Symphony^® X 全自動(dòng)多肽合成儀在他們的工作中發(fā)揮了如此重要的作用。

問(wèn)：擬肽研究的前景如何？
RON：“我認(rèn)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(shí)更加穩(wěn)定。這樣的結(jié)構(gòu)在需要分子識(shí)別的應(yīng)用中非常有用，例如治愈疾病、水凈化以及檢測(cè)化學(xué)和生物制劑。”

問(wèn)：您如何看待未來(lái)幾年擬肽研究的發(fā)展？
RON：“在未來(lái)幾年內(nèi)，我們應(yīng)該能夠建立形成和組裝預(yù)定義擬肽納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)則。我們還希望在未來(lái)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(kāi)發(fā)出自然界中無(wú)法獲得的功能性、化學(xué)穩(wěn)定性和多樣性。”

問(wèn)：為什么 Symphony X 全自動(dòng)多肽合成儀比實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(xué)家、化學(xué)家和物理學(xué)家打開(kāi)了新的大門(mén)。能夠使用一整套一級(jí)胺作為構(gòu)建模塊確實(shí)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(wèn)：您如何衡量成功？
Mike：“對(duì)我來(lái)說(shuō)，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(xué)廢物量。Symphony X 和 Prelude^®X （PurePep Chorus上一代型號(hào)）全自動(dòng)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(shí)驗(yàn)室中。

問(wèn)：是否有些實(shí)驗(yàn)只有使用這些多肽合成儀才能進(jìn)行？
Mike：“Gyros Protein Technologies （PTI）的全自動(dòng)多肽合成儀幫助我們完成了以前無(wú)法完成的整個(gè)項(xiàng)目。這包括 Ron 的大型 DARPA 項(xiàng)目 http://today.lbl.gov/mimicking-nature-for-homeland-security/，該項(xiàng)目旨在構(gòu)建世界上第一個(gè) 1 億個(gè)基于擬肽的納米片庫(kù)。這個(gè)想法是在納米片表面顯示化學(xué)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(gè)納米片變體都將接受測(cè)試，以確定其在檢測(cè)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(yuǎn)不會(huì)嘗試在這些機(jī)器上運(yùn)行該項(xiàng)目，因?yàn)樗鼈兊乃俣忍�慢，或者在合成較長(zhǎng)序列的過(guò)程中可能會(huì)降解隔膜。在 Symphony X 上，我們一次可以合成 24 個(gè)肽，而且我們經(jīng)常合成 40 聚體。”

問(wèn)：您認(rèn)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(jī)器人類型移液系統(tǒng)快得多，因?yàn)闄C(jī)器人類型系統(tǒng)每次只能添加一種試劑，還要進(jìn)行沖洗。氣動(dòng)輸送加快了添加速度。這可以改善您的化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)時(shí)間的精確度。如果您嘗試進(jìn)行短時(shí)間的孵育，其他系統(tǒng)的延長(zhǎng)輸送時(shí)間會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題。Symphony X 還支持對(duì)二十四個(gè)反應(yīng)容器進(jìn)行獨(dú)立并行控制。”

“該儀器幫助我們開(kāi)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(dá) 400 mL 的大量亞單體胺反應(yīng)，這使得該系統(tǒng)成為快速合成具有多達(dá) 50 個(gè)殘基序列的擬肽庫(kù)的理想選擇。”

問(wèn)：軟件如何幫助您優(yōu)化方法？
Mike：“Symphony X的軟件比其他供應(yīng)商的軟件更靈活。這包括試劑瓶存儲(chǔ)試劑和命名方式的靈活性。我們可以同時(shí)運(yùn)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(shí)在機(jī)器上放置三到四個(gè)項(xiàng)目，而不是像在其他儀器上那樣一次合成一個(gè)。”

“能夠在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量合成真是太棒了。Symphony X 具有紫外線監(jiān)測(cè)功能，如果您試圖找出脫保護(hù)過(guò)程在哪里出現(xiàn)問(wèn)題，這真的很有用。我們這里的研究小組在其他機(jī)器上合成困難的肽時(shí)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(xì)了解 Molecular Foundry 如何推動(dòng)擬肽納米片設(shè)計(jì)、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(dòng)多肽合成儀特點(diǎn)簡(jiǎn)介
Symphony X全自動(dòng)高通量多肽合成儀

• 24個(gè)獨(dú)立反應(yīng)通道
• 支持原位活化和預(yù)活化
• 8個(gè)試劑瓶，40個(gè)氨基酸位置
• Single-Shot^TM特殊氨基酸傳輸技術(shù)
• 內(nèi)置專利設(shè)計(jì)的PurePep Pathway流路系統(tǒng)
• 紅外加熱（選配，第一個(gè)通道）
• IntelliSynth^TM UV監(jiān)測(cè)（選配，第一個(gè)通道）
• 肽預(yù)測(cè)軟件
• 遠(yuǎn)程郵件提醒
• 軟件設(shè)計(jì)符合21 CFR Part 11合規(guī)性
• 自動(dòng)原位切肽
• 自動(dòng)多肽純化

PurePep Chorus全自動(dòng)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(gè)反應(yīng)容器
• 選配可控感應(yīng)加熱和振蕩混勻
• 選配實(shí)時(shí)紫外線監(jiān)測(cè)
• 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(dòng)原位切肽
• 自動(dòng)多肽純化