蛋白質通過精確地序列排布和折疊，充分地實現了自身結構和化學的多樣性，形成了極其精巧地質子通道。爲了構建媲美自然質子運輸系統，科學家嘗試了多肽、DNA、碳納米管、序列定義聚合物和有機框架等，然而用這些材料構建的質子運輸系統都無法達到自然質子運輸系統所展現出質子運輸能力。
近日，美國加利福尼亞大學伯克利分校材料科學與工程系徐婷教授團隊報道了一種四單體無規雜聚物(RHPs)，該聚合物能夠在不形成原子結構通道的情況下，模擬膜蛋白並以與天然質子通道相似的速率在脂質雙分子層上選擇性轉運質子。該研究成果以題爲“Single-chain heteropolymers transport protons selectively and rapidly”的論文發表在《Nature》正刊上。文章第一作者爲Jiang Tao，通訊作者爲徐婷教授。
四單體無規雜聚物高速選擇性運輸質子系統的設計
研究者選擇了四種甲基丙烯酸酯類單體，甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸異辛酯 (2-EHMA)、甲基丙烯酸低聚（乙二醇）酯[OEGMA；(Mn)≈500Da]和甲基丙烯酸3-磺酸丙酯鉀鹽 (3-SPMA)合成四單體無規雜聚物(RHPs)。其中MMA和EHMA促進RHPs插入脂質雙層膜，OEGMA能夠調節整體親水性，促進氫鍵鏈的形成，在脂質雙分子層中進行質子運輸，最後，SPMA被用來降低RHPs的聚集傾向。
圖1a顯示了RHP的20個代表性序列(稱爲“RHP1”)，其組成比例爲MMA:OEGMA:EHMA:SPMA = 5:2.5:2:0.5。研究者測定RHP1鏈的親水親油平衡值(HLB，HLB 低于9是相對親油的，高于9是相對親水生的) (圖1a)。根據HLB值，RHP鏈可分爲三類: 親水、親脂質雙分子層和親界面(圖1c)。作者進行了分子動力學模擬來觀察RHP1在脂質雙分子層中的分布(圖1e)，結果顯示大多數親水側鏈被發現在水裏或靠近膜表面，而疏水段分布在雙分子層內，將一些OEG側鏈錨定在雙分子層的非極性區域。
圖1所示：RHP的片段異質性設計。
四單體無規雜聚物(RHPs)高速地，高選擇性地跨膜轉運質子
作者使用生物質子裝置(圖2a)檢測四單體無規雜聚物(RHPs)跨膜轉運質子能力。Pd的電壓爲-200mV(相對于Ag/AgCl)，當質子通過RHPs跨脂質雙分子層運輸後，它在Pd表面被還原成H，進而吸附到Pd表面形成PdHx。當Pd上的電壓由- 200mV變爲+ 40mV時，正電壓將H氧化成H+，産生正的質子電流。結果顯示RHP1使膜透性從8.1×10−5 s−1增加到1.6×10−2 s−1。
采用外部陽離子交換法研究了RHP1轉運對其他堿金屬陽離子(包括Li+、Na+、K+、Rb+和Cs+)的離子選擇性(圖2c)。在脂質雙分子層存在質子和陽離子梯度的情況下，沒有觀察到質子和堿金屬離子的明顯共輸，這表現爲脂質體內部的pH值變化極小。這一結果表明了RHP1的轉運對質子具有高度選擇性。
圖2所示：質子跨膜運輸。
RHPs的序列異質性
作者認爲RHP1的序列異質性是其能夠高速地、高選擇性地轉運質子的關鍵。尤爲引人注意的是，盡管存在異質性，但RHP1表現出一致的轉運性能。
圖4a顯示了一個代表性的RHP1鏈中的疏水性片段，它含有一個OEGMA片段。作者統計了包含一個OEGMA的4500個模擬RHP1鏈的片段尺寸分布(長度均滿足跨越脂質雙分子層的長度要求)。爲了適應疏水錯配，RHP1和周圍脂質可以分別調節其鏈構型和/或雙層厚度。作者進一步分析，如圖4c所示，每條RHP1鏈中的每種片段數量是有限的(DP = 130)，即，比如每個聚合物鏈平均包含三個長度≥9的片段，兩個長度≥11的片段。作者還發現，組成RHP1的MMA:EHMA的含量比在4:3到6:1的範圍能夠促進質子運輸。
圖4所示：RHPs序列分析。
小結
最後，作者得出結論，在單鏈水平上探索和操縱RHPs的節段異質性，達到高速地、高選擇性地轉運質子，是可行且有效的。作者進一步推論，高分子化學發展迅速，能夠采用的單體、聚合方法衆多！基于四單體雜聚物的功能材料本身或與合成生物學相結合的潛力無限！
小編：據了解徐婷教授團隊早在2018年構建出無規雜聚物（random heteropolymer, RHP）。RHP由四種類型的單體亞單位（monomer subunit）組成，每種單體亞單位具有與感興趣的蛋白表面上的化學片段相互作用的化學性質。這些單體亞單位相互連接在一起來模擬天然的蛋白，從而使得它們與蛋白表面之間的相互作用的靈活性最大化。因此，RHP起著經常在細胞內觀察到的非結構化蛋白的作用。它們在蛋白翻譯期間增加膜蛋白在水中的折疊，並且保持水溶性蛋白質有機溶劑中的活性。相關研究結果發表在2018年3月16日的《Science》期刊上，論文標題爲“Random heteropolymers preserve protein function in foreign environments”。2020年，四單體無規雜聚物再建新功！
相關報道鏈接：
《Science》新型聚合物讓蛋白在非天然環境中保持活性
徐婷教授簡介：
徐婷教授系大連理工大學高分子化工專業92級校友，是傑出的華人科學家，2009年被評爲美國國內撼動科學界的10大青年英才之一。徐婷教授主要從事從頭設計多肽和高分子的設計、合成和表征，曾在ACS Nano、Advanced Materials、PNAS、Nano Letters、Nature Communications、Nature Materials、Science等學術期刊發表論文多篇。
課題組主頁：
http://www.mse.berkeley.edu/groups/xu/index.htm
全文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1881-0
來源：高分子科學前沿
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