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功能化分子与组装体的精准制备，常常需要耗时耗力且专业化的合成、纯化与分析工作。为了更好地解放科研工作者的“生产力”，近年来多种自动化合成系统如雨后春笋般涌现出来。例如，基于流式化学系统所搭建的自动化反应平台，可以高通量地筛选特定合成反应的实验条件（Science, 2018, 359, 429, 点击阅读详细）；从模块化硬件出发所构建的Chemputer合成系统，可以实现多种临床药物分子的自动化合成（Science, 2019, 363, eaav2211）。除此之外，基于现有的商品化合成仪器来自动化创制新型功能化分子，同样是一种重要的研究思路。这一思路可以有效规避在软硬件上的大量投入，降低跨学科研究中的分子合成门槛。然而，如何使新型分子的创制在商品化合成平台上实现通用适配与精准高效，是这一领域当前存在的重大挑战。

最近，英国格拉斯哥大学Leroy Cronin教授领导的Digital Chemistry研究团队构建了一种可编程的多酸基氨基酸（Z），它可以规模化制备，无需氨基保护基团，适用于固相合成中常用的DIC/HOBt偶联方法。研究者们将其作为含金属氧簇的人工氨基酸前驱体，运用到商用多肽合成仪中，成功制备出一系列高度阴离子化的新型多酸多肽（图1）。基于多重的静电与氢键相互作用，这类人工多肽能与天然多肽和蛋白强效结合，具备极高的生化活性和生物利用率。这项研究为发展新一代无机生物材料，提供了自动化的分子创制平台，相关成果发表在Chem 杂志上，通讯作者是格拉斯哥大学Leroy Cronin教授，第一作者是玛丽居里学者佘珊博士。

图1. 多酸多肽的自动化合成与应用的设计思路。图片来源：Chem

含金属氧簇人工氨基酸的设计与构筑是这项研究的重要基石。研究者们采用二氨基对称修饰的Anderson型多金属氧簇与丁二酸酐，在常温下进行一步酰胺化反应，从而制备出高纯度、低成本的多酸基氨基酸（POM-AA，图2A-2B）。其合成产率在90%以上，仅需简单的结晶分离即可使用，每批次可产出35克。如图2C所示，POM-AA的活性羧基可以通过常用的DIC/HOBt偶联，连接到固相树脂的多肽生长链上。POM-AA上的氨基活性较低，不会干扰上述偶联过程，因而无需Fmoc的额外保护。更重要的是，这一惰性氨基能与天然氨基酸前驱体的酸酐进行一步反应，从而延长多肽生长链。其后的多肽链生长只需采用常规的DIC/HOBt偶联即可完成。最终，多肽产物可采用温和的HFIP/DCM 剪切方法，从固相树脂表面洗脱分离。基于此，多酸多肽的精准制备在商品化合成仪器上，首次实现了完全的编程化和自动化。

图2. 多酸基氨基酸的合成及其在多肽合成仪上的运用。图片来源：Chem

基于上述的多酸多肽自动化合成平台，研究者们深入探索了这一新型无机生物材料在不同方面的应用潜力。

（一）基于自动化合成平台，研究者们可以精准控制多酸多肽的一级序列结构。基于淀粉样蛋白的聚集序列Aβ17-20（LVFF），他们设计并制备了一系列多酸多肽（ZLVFF、LZVFF、LVZFF、LVFZF；Z = POM-AA）。其中， ZLVFF可以与聚集中心Aβ13-20（HHQKLVFF）形成高度匹配、多重协同的非共价相互作用（图3A），从而展现出最好的抑制聚集效果（图3D），为发展阴离子型Aβ抑制剂提供了新的思路。

图3. 多酸多肽在抑制淀粉样蛋白聚集方面的应用。图片来源：Chem

（二）通过引入多负电荷的多酸基团，研究者们可以进一步调控多肽的二级结构。基于β sheet折叠序列KFE8（FKFEFKFE），他们设计并构建出一种多酸多肽序列KFE8-Z（FKFEFKFZ）。如图4所示，三负电荷的多酸基氨基酸（Z）的引入，促进多肽在分子内形成β turn结构，抑制了多肽之间的氢键相互作用，从而实现多肽二级结构从β sheet到β turn的可控转变，为开发β turn型人工序列提供了新的方法。

图4. 多酸多肽在调控多肽二级结构方面的应用。图片来源：Chem

（三）由于多酸基团是多重氢键给体，研究者们可以为特定蛋白的氢键受体空腔，设计更强的结合底物。如图5所示，他们在大肠杆菌ATP伴侣蛋白DnaK的结合序列ELPLVKI中，引入多酸基氨基酸，构筑了多酸多肽ZLPLVKI。通过多重的分子间氢键，ZLPLVKI与DnaK蛋白的结合能力相比于ELPLVKI增强了2.5倍，为构建细菌伴侣蛋白的调节因子提供了新的策略。

图5. 多酸多肽在构建蛋白调节因子方面的应用。图片来源：Chem

总结

这项研究首次报道了含金属氧簇多肽的自动化合成，创制了一系列具有鲜明结构和特定功能的多酸多肽。通过多酸化学与自动化技术的有机结合，研究者们展现了多酸多肽的巨大潜力，有望用于构筑淀粉样蛋白的聚集抑制剂，开发含β-turn二级结构的人工序列，以及构建细菌伴侣蛋白的调节因子。

Robotic synthesis of peptides containing metal oxide-based amino acids

Shan She, Nicola L. Bell, Dazhong Zheng, Jennifer S. Mathieson, Maria D. Castro, De-Liang Long, Jesko Koehnke & Leroy Cronin

Chem, 2022, DOI: 10.1016/j.chempr.2022.07.007

更多信息请查看Cronin课题组主页：

http://www.chem.gla.ac.uk/cronin/

Leroy Cronin

https://www.chem.gla.ac.uk/cronin/members/lee-cronin/

佘珊博士

https://www.chem.gla.ac.uk/cronin/members/shan-she/

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