11月23日，中國科學(xué)院生物物理研究所王江云課題組和清華大學(xué)陳永湘課題組，在JACS上，發(fā)表了題為Genetically Encoded Phosphine Ligand for Metalloprotein Designn的研究論文。該工作首次運(yùn)用遺傳密碼子擴(kuò)展（GCE）策略，將非天然的膦配體引入生命體系，進(jìn)而發(fā)展了含非天然膦配體的人工金屬蛋白（酶）的構(gòu)建策略。

　　自然界和生物體中，作為構(gòu)成生命體的重要元素，磷元素多以+5價(jià)的化合物形式存在于生命體系中，并發(fā)揮重要的生理功能。+3價(jià)磷因特殊的電子結(jié)構(gòu)而具有更豐富的功能特性，但由于地球生物圈處于富氧環(huán)境的局限，生物體幾乎沒有進(jìn)化出利用低氧化態(tài)磷的運(yùn)行法則。化學(xué)家可以將+3價(jià)的磷元素發(fā)展為N、O、S元素之外的一種重要的催化劑配體，即膦配體，并化學(xué)進(jìn)化出具有特殊催化活性的過渡金屬催化劑，發(fā)展出較多自然界不存在的反應(yīng)類型，將這些成果、智慧拓展到生物進(jìn)化體系，進(jìn)而設(shè)計(jì)、構(gòu)建新型的人工金屬蛋白，這是合成生物學(xué)中頗具前景的研究方向。

　　本研究克服了基因編碼膦配體的三個(gè)挑戰(zhàn)：膦配體具有較強(qiáng)的氧敏感性，無法兼容在有氧條件下、細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)生物合成過程以及生理?xiàng)l件下氨酰-tRNA合成酶的定向進(jìn)化；金屬有機(jī)化學(xué)中的金屬配位、綴合過程多在惰性氛圍的手套箱等進(jìn)行，普通的生化實(shí)驗(yàn)條件下難以制備含膦配體的人工金屬蛋白（酶）；膦配體結(jié)構(gòu)一般均具有較大的體積、水溶性差。該研究首次實(shí)現(xiàn)了將低價(jià)態(tài)、非天然的膦配體通過GCE策略引入生命體系，插入蛋白骨架上的任意位點(diǎn)。

　　科研人員設(shè)計(jì)并合成了一種硼烷保護(hù)的含膦配體非天然氨基酸P3BF，其在水相、空氣條件下比較穩(wěn)定；經(jīng)過篩選和定向進(jìn)化得到一個(gè)能特異性識(shí)別P3BF的氨酰-tRNA合成酶突變體P3BFRS；借助遺傳密碼子擴(kuò)展技術(shù)，在大腸桿菌內(nèi)將P3BF插入了蛋白質(zhì)的任意特定位點(diǎn)；首次解析了含非天然膦-硼（P-B）鍵、1.95?分辨率的蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)。

　　此外，研究人員發(fā)展了一種可在水相、空氣的有氧條件下，簡(jiǎn)便地一步直接將膦硼化合物P3BF轉(zhuǎn)化為膦-金屬復(fù)合物的新策略。該策略條件溫和、高效、綠色，與蛋白兼容，操作簡(jiǎn)便，無需無氧處理，為蛋白質(zhì)上的化學(xué)轉(zhuǎn)化提供了可行方案；根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)該一步法直接轉(zhuǎn)化反應(yīng)進(jìn)行初步的機(jī)理探究，給出可能的反應(yīng)路徑。在此基礎(chǔ)上，本研究將膦硼非天然氨基酸P3BF插入了一種具有特殊空腔結(jié)構(gòu)的LmrR蛋白，并利用一步法的直接轉(zhuǎn)化策略，在水相、空氣的條件下，構(gòu)建了含膦-環(huán)鈀金屬復(fù)合物的人工金屬蛋白，發(fā)展了膦-金屬蛋白構(gòu)建的新策略，為下一步實(shí)現(xiàn)人工金屬酶、甚至全細(xì)胞催化創(chuàng)造了有利條件。

　　研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等的支持。

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如何將非天然膦配體引入生命體系

非天然膦配體的生命體引入及人工金屬蛋白構(gòu)建策略