研究人员展示了驱动交替多肽的新型有序组装的因素

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卡罗尔·霍尔 hall@ncsu.edu 919.604.4383

Anant Paravastu anant.paravastu@chbe.gatech.edu 404.385.4604

格雷格Hudalla ghudalla@bme.ufl.edu 352.273.9326

马特·希普曼 matt_shipman@ncsu.edu 919.515.6386

一组研究人员已经证实，由有序排列的交替多肽组成的两层纳米纤维是可能的，并且还确定了是什么使这些多肽自动组装成这种模式。这一基本发现提高了定制“ABAB”肽纳米纤维的可能性，具有多种生物医学应用。

肽是由短链氨基酸组成的小蛋白质。已经确定的是，多肽可以自我组装成纳米纤维，由β -薄片组成。然而，这种自组装通常包括相同分子的相同副本——分子A连接到另一个分子A。

这项新研究不仅证明了交替多肽能够以ABAB模式产生这些β薄片，而且还证明了它为什么会发生。

“我们的团队利用计算模拟、核磁共振(NMR)观察和实验方法进行这项工作，我们现在知道是什么驱动这些交替肽结构的创造，”卡罗尔·霍尔说，北卡罗莱纳州立大学卡米尔·德雷福斯杰出大学化学和生物分子工程教授。

霍尔说:“这很重要，因为一旦你理解了为什么这些ABAB结构中的多肽会以这种方式表现，你就可以开发出更多的多肽。”

在这项研究中，研究人员使用一对叫做CATCH(+)和CATCH(-)的多肽。当引入溶液时，多肽将自己排成一行，使两种多肽交替出现。这些缩氨酸在每根纳米纤维上组装成两层贝塔层。

这项研究本身包括三个部分。佛罗里达大学Greg Hudalla的实验室创造了肽，促进了肽片的共同组装，并进行了实验工作，提供了系统及其行为的概述。Hudalla是这篇论文的合著者，也是佛罗里达大学J. Crayton Pruitt家族生物医学工程系的副教授。

与此同时，佐治亚理工学院的Anant Paravastu的团队使用固体核磁共振来测量ABAB肽层中原子和分子的精确相对位置。Paravastu是这篇论文的合著者，也是佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院的副教授。

最后，霍尔在北卡罗来纳大学的团队进行了计算模拟，以确定是什么驱动了佛罗里达大学和佐治亚理工学院的研究人员看到的行为。

似乎有多种力量在引导交替的肽结构的组装中发挥作用。两种肽中的一种带负电荷，而第二种带正电荷。因为正负相互吸引，而带相同电荷的肽相互排斥，这就导致了肽链中肽的顺序的交替。

该系统组织的另一个方面，即堆积，是由每个肽中的氨基酸类型驱动的。具体来说，每个肽中的一些氨基酸是疏水的，而另一些是亲水的。实际上，疏水氨基酸会相互粘附，这就产生了两层“堆积”效应，如图所示。

“重要的是，不同的力量平衡产生目标结构，”霍尔说。“如果任何一种分子力太强或太弱，这些分子可能永远不会溶解在水里，或者可能认不出它们想要的伙伴。而不是有序的纳米结构，分子可能会形成无序的混乱，或者根本没有结构。”

Hudalla说:“我们对此很感兴趣，因为它让我们看到了这些系统如何工作的基本本质。”“我们不知道在自然界中有任何类似的共同组装系统，类似于我们在这里制造的系统。

“共组装肽系统在生物医学领域有应用前景，因为我们可以将蛋白质附着在具有特定用途的A或B肽上。例如，我们可以创造一个肽支架，它包含一组规则的酶，这些酶可以作为催化剂，影响局部区域的身体化学。”

“我们在这里建造的结构令人印象深刻，但它们仍然没有我们在自然界看到的生物结构那么精确和复杂，”Paravastu说。“同样，我们也不知道自然结构中含有这种交替的肽结构。这是一个好的开始。我们很期待它的发展。”

霍尔说:“如果没有这个研究小组不同领域的专业知识，这项工作是不可能完成的。”

纸”,选择性共组装的β片肽纳米纤维的解剖发表在杂志上美国国家科学院院刊．论文第一作者是前北卡罗莱纳州立大学博士后研究员邵青;佐治亚理工学院的Kong Wong;以及佛罗里达大学的狄龙·瑟罗斯基。该论文由曾在北卡罗来纳州立大学攻读博士学位的王一鸣(音)共同撰写;以及佛罗里达大学的刘仁杰。

这项工作得到了美国国家科学基金会的支持，批准号为1743432。

希普曼-

编辑:研究摘要如下。

选择性共组装的β-片肽纳米纤维的解剖

作者:北卡罗莱纳州立大学，邵青，王一鸣，Carol K. Hall;Kong M. Wong和Anant K. Paravastu，佐治亚理工学院;Dillon T. Seroski, Renjie Liu, Gregory A. Hudalla，佛罗里达大学

发表: 2月18日,美国国家科学院院刊

DOI: 10.1073 / pnas.1912810117

文摘:多肽自组装是自然界常见的一种合成生物材料，分子A与其他A分子结合形成纤维β-片结构。具有互补部分电荷的肽对A和B的选择性共组装正在引起人们的兴趣，因为它有可能扩展生物材料的形式和功能。有人假设电荷互补肽在组装的β层内组织成交替abab型排列，但没有直接的分子水平证据支持这一解释。我们报告了一种计算和实验方法来描述已建立的肽对CATCH的分子水平组织。不连续分子动力学模拟预测CATCH(+)和CATCH(−)肽共组装而不是自组装。两层β-薄片淀粉样蛋白结构占主导地位，但也预测了通路外的β-barrel低聚物。在低浓度时，透射电子显微镜和动态光散射鉴定出非纤维状~ 20纳米低聚物，而在高浓度时，细长纤维占优势。硫黄素T荧光法估计在浓度≥100 μM时CATCH(+)和CATCH(−)的快速和近化学计量共聚合。天然丰度¹³C NMR和同位素编辑的傅里叶变换红外光谱表明，CATCH(+)和CATCH(−)共组装成双组分纳米纤维，而不是自分类。然而,¹³C -¹³C偶极耦合固态核磁共振测量也确定了大多数AB对之间不可忽略的AA和BB相互作用。总的来说，这些结果表明，严格的β链交替排列在共组装的CATCH结构中占主导地位，但完全交替出现偏差。Off-pathway β-barrel oligomers也被认为发生在共组装的β链肽系统。