摺疊體，向超越生物學進軍_風聞

許多人認為生命的奧秘在於那些摺疊的分子。現在，化學家正向天然蛋白質學習，力圖人工生成擁有巨大應用潛力的“摺疊體”，但他們能成功嗎？科學作家拉謝爾·布拉西爾採訪了幾位超分子化學家，看看他們在忙活什麼。

撰文 | 拉謝爾·布拉西爾（Rachel Brazil）

編譯 | 顧淼飛

摺疊的分子，構成了生命的基礎。用美國威斯康辛大學麥迪孫分校的薩姆·格爾曼（Sam Gellman）的話説：“如果你從化學的角度看待生物學，你就無法否認，生物學在分子水平上做的幾乎每一件複雜的事，都是藉由序列特異的、摺疊的雜聚物來實現的。”。

如今，屬於生物學的分子摺疊技巧已經被化學家學了來。不過，英國布里斯托大學的喬納森·克萊登（Jonathan Clayden）曾經“撂下狠話”，化學家其實有着更大的野心，他們的目的不只是複製出那些天然就存在於生命體中的聚合物，還要通過獨出心裁的化學設計，得到比天然分子更多樣、更智能、更“好”的摺疊分子。你可以説這是青出於藍而勝於藍，也可以説，這是想在對手最擅長的賽道上跑贏對手。

有望讓化學家實現這一野心的，是一種叫作“摺疊體”的分子（foldamer），它也許有朝一日能在這場摺疊競賽中戰勝生物學。

在蛋白質後面跟跑，跟着跟着就被落下了

想要合成摺疊分子的這個念頭，最早應該來自於20世紀80年代關於蛋白質摺疊的工作。格爾曼是最早的實踐者之一，也是第一位提出“摺疊體”一詞的人。他認為，“其中的關鍵性貢獻之一，是蛋白質建模專家肯·迪爾（Ken Dill）的成果。”目前在紐約州立大學石溪分校的迪爾，一直致力於蛋白質摺疊的研究。他認為，蛋白質的摺疊過程是因為氨基酸同時具有疏水基和親水基。此前，人們一直認為是氫鍵支配着蛋白質如何形成自身結構。然而，他的同事羅恩·楚克曼（Ron Zuckermann）用實驗證明了事實並非如此。楚克曼的反例是由聚-N-取代甘氨酸組成的類肽，在它的分子結構上，側鏈連接在主鏈上的氮原子上，而不是碳原子上，它在沒有氫鍵的情況下依然形成了穩定的螺旋狀結構。這一點讓迪爾和楚克曼確信，摺疊主要是由氨基酸側鏈的固有特性造就的，氫鍵提供的結合力充其量只是個聊勝於無的“膠水”。

除了這個例子，還有哪些分子能像類肽那樣摺疊起來呢？格爾曼想知道這個問題的答案。他曾經在一次會議報告之後問過迪爾：“如果我用疏水的苯乙烯和親水的苯乙烯得到一個聚苯乙烯，那麼它能摺疊嗎？”迪爾給出的答案是——是的，我認為是可以的。

在迪爾和楚克曼看來，生命始於摺疊，一個個化學分子能組成生命體，其原因也是摺疊。儘管主流觀點都把RNA的複製看作生命過程中的第一步，認為正是由於RNA的自主複製，才啓動了諸如DNA複製、蛋白質合成等一系列分子摺疊的進程。但是迪爾卻認為，一定另有一個分子摺疊的階段發生在RNA複製之前。他於2017年發表了摺疊體假説[1]。在他的研究工作中，單體被分為兩類，一類是具有親水側鏈的，另一類是具有疏水側鏈的。他用一個簡單的計算模型創建了同時具有這兩類單體的化學鏈，然後發現，即使是一條很短的鏈，也可以摺疊成更緊湊的結構。

迪爾對此給出了進一步的解釋，這是因為摺疊後的結構使得一種類似於位點的東西——迪爾管它叫“着陸架”（landing pad）——暴露了出來，而這些着陸架可以催化生成其他聚合物，於是這個過程就有點像多米諾骨牌似的自發延續了下去，最終的結果就是產生了原始酶。説得再通俗一些，如果我們把反應底物比作一鍋湯，那麼在這鍋湯裏，由於疏水單體和親水單體的序列足夠多種多樣，最後將自發出現全部可能的酶。當然，從生物學的角度來看，生命要以信息存儲在DNA上才能開始起算，其實在那之前，摺疊已經發生了。

所以，如果生物學是擅長摺疊的化學大師，那麼真·化學大師可以玩轉這個技巧嗎？

格爾曼在上世紀90年代開始嘗試着合成能摺疊的分子，並且提出了“摺疊體”這個名字用來稱呼這類分子。但是他隨後就發現，最開始被看好的聚苯乙烯並不能扛起大旗——用聚苯乙烯來合成這樣的摺疊分子是行不通的。“因為沒有人能控制聚苯乙烯中哪個單體會出現在哪裏，也不知道該怎麼控制，所以我們後來把研究的焦點放在了聚酰胺身上。”格爾曼解釋道。他把目光放在了β-氨基酸，雖然它的氨基基團不像天然氨基酸那樣連接到α-碳上，而是連接到β碳上，但是由它摺疊成的螺旋狀分子完全可以跟蛋白質的摺疊結構相媲美。

德國慕尼黑大學的超分子化學家伊萬·於克（Ivan Huc）等人也設計出了更多不走尋常路的摺疊結構。他們的原料一是芳香族的寡聚酰胺；二是具有蛋白原側鏈的單體，因其有摺疊潛力（或者説具有摺疊傾向）。於克得到的分子是螺旋狀的，我們可以把它的樣子想象成一圈一氣呵成削下來、完全沒有斷掉的蘋果皮。這圈“蘋果皮”的直徑可以根據單體尺寸進行調整，“蘋果皮”中間空出來的那個“洞”裏，可以安置一個“做客”的分子[2]。

然而，如今摺疊體的設計仍然發展得磕磕絆絆。儘管計算工具不斷發展，但還是不如蛋白質和肽的建模工具那麼先進。“我們一直跟在蛋白質後面跑，但是現在被落下了有點遠。”於克説。

催化和製藥，兩手都要抓

格爾曼曾説：“我們最想實現的夢想之一，就是創造具有高效催化活性的摺疊體。”他最近接下了這項艱鉅的挑戰。

在某些情形下，酶——這種具有三級結構的分子——能讓反應速率加快100萬倍。儘管格爾曼還不能製備出像酶一樣的三級結構，但是他確實創造了一種摺疊體——能讓兩個官能團相鄰地排列起來，從而形成螺旋狀的結構[3]。格爾曼的摺疊體中含有α和β氨基酸，包括具有五元環的β殘基，β殘基的作用是約束主鏈的靈活性，從而使摺疊體的螺旋結構趨於穩定。

這種摺疊體被用來催化生成15個原子以上的大環，這類大環分子可用於製藥，應用潛力巨大，可是它們很難製備，因為長鏈分子的兩端需要靠得非常近才能發生反應。有了各自都連接到β殘基上的伯胺和仲胺，摺疊體就能夠正確地定位在化學鏈的兩端，從而通過羥醛縮合生成碳碳鍵，得到12~22碳環。先前的工作已經表明，類似的摺疊體體系作催化劑時，反應速率比起使用小分子催化劑快出了100倍。雖然效果立竿見影，但是跟自然界最優秀的催化劑——酶相比，摺疊體的表現仍然差點意思。

格爾曼等人也致力於研究摺疊體如何以藥物分子的身份表現更勝生物學一籌。“很多肽類也會被用作藥物，但是它們在體內很快就分解了。”瑞士ImmuPharma製藥公司的總裁迪米特里·迪米特里烏（Dimitri Dimitriou）説，“如果能高效地製備出在結構上類似於肽，在性質上卻比肽穩定的摺疊體，那麼它在製藥方面的潛力將毫不遜於單克隆抗體產業——站在商業立場來看，這是很激動人心的。”他對此非常有信心，認為摺疊體藥物在5年內就可以問世。

格爾曼在2010年聯合創立了Longevity Biotech公司，研發含有β-氨基酸的肽類藥物[4]。“這些肽類分子上的β殘基只佔1/4~1/3，但由於這些β殘基是沿着主鏈分佈的，所以對水解蛋白酶來説，剪斷它們也是非常費力且進度緩慢的事情。”他解釋道。格爾曼的公司管這種摺疊體叫作“混血肽（hybridtides）”。混血肽的“1.0版”，是一種能夠連接到G蛋白偶聯受體的藥物，G蛋白偶聯受體是一種跨膜蛋白，當受到外部分子的刺激時能在細胞內部傳輸信號。他們目前正進行一項帕金森症候選藥物的臨牀前生物標誌物研究。

在新冠疫情期間，格爾曼似乎找到了新的研究方向，他開始着手研究能阻斷新冠病毒的摺疊體藥物，靈感來自於2009年一項關於艾滋病藥物恩夫韋肽的工作[5]。恩夫韋肽有36個殘基，可以高效地阻斷病毒吸附到細胞上的這個過程。但是這個藥物的半衰期實在太短了，患者必須每天注射兩次。格爾曼表示，“因為α-β主鏈的因素，變體受水解蛋白酶的影響很小，影響程度降低到了1/300，我們打算用同樣的辦法來對付新冠病毒。”

跟Longevity Biotech同期開展摺疊體藥物研究的，還有ImmuPharma及其子公司Ureka。跟格爾曼的做法不同的是，他們的摺疊體將部分氨基酸取代成了尿素。Ureka的研發總監塞巴斯蒂安·古德羅（Sebastien Goudreau）解釋道：“寡聚脲很適合用來生成螺旋結構，而且，由寡聚脲生成的螺旋結構跟肽的結構很相似的……得到的這個摺疊體簡直絕了：它既有硬度——這是由尿素主鏈貢獻的，也有相當的靈活度——這是由側鏈基團貢獻的，而後者可以像氨基酸那樣被取代。”

處於概念驗證階段的Ureka選擇了從胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）起步——這種激素能促進胰島素的分泌，並用來治療2型糖尿病和非酒精性脂肪肝。Ureka的摺疊體是用3個尿素殘基取代了GLP-1中的連續4個氨基酸[6]。迪米特里烏表示：“我們已經證明這是奏效的，也證明了這在小鼠體內能大幅延長半衰期。”半衰期的延長意味着藥物劑量的減少，而且理論上來説，如果這種藥物能抵抗酶的消化作用的話，它甚至可以口服。

會動的摺疊體

自然不僅僅締造了摺疊體，還創造了那些能改變自身形狀的分子。例如，G蛋白偶聯受體（GPCR）在響應激素或是其他能夠刺激味覺、嗅覺的分子時，可以進行構象轉換。克萊登已經試着用摺疊體來重現這種行為，他説：“我們已經設計出具有這樣特徵的分子——當它們與一個配體結合之後，形狀會發生改變，而分子結構的改變可以用來傳遞信息……這就是我們所説的動態摺疊體（dynamic foldamer）。”

克萊登的研究始於一種非手性的氨基酸——α-氨基異丁酸（AIB）。他説：“合成得到的螺旋結構肯定要麼是左旋的，要麼是右旋的，事實上它能非常迅速地在這兩種結構之間互相轉換。”之所以能轉換，是因為摺疊體的胺基端有一個龐大的、呈週期出現的氨基硼酸基團，如果與一個同樣龐大的手性二醇配體結合，它將生成硼酸鹽酯，而硼酸鹽酯將進一步生成連接胺基團的甲醇橋，配體的空間位阻驅使摺疊體轉換到另一種構象[7]。

動態摺疊體的這種性質有個絕佳的妙用，就是用作“智能”藥物，因為它能根據特定的刺激源在細胞內部通過左旋或右旋來實現“開”或“關”的操作（例如用左旋表示“開”，用右旋表示“關”），從而控制酶的通路。克萊登已經證明，動態摺疊體作為人工受體嵌入磷脂囊泡時是能夠正常工作的[8]——這至少説明該思路是可行的。他希望未來能將這個概念用到真正的細胞中。

採用同樣的方法，克萊登還模擬了我們的色覺。在人體中，色覺的產生依靠視杆視紫紅質上的GPCR受體，而克萊登用來替代GPCR受體的分子是偶氮苯生色團，它連在AIB摺疊體上，能在偶氮苯響應光線時改變形狀——例如，在紫外線條件下，這個分子就可以轉換到順式構象。克萊登將這一過程形象地稱為“構象光電二極管”[9]。而這還不是動態摺疊體最奇妙的應用，更進一步地，動態摺疊體可以構建“智能”的化學體系。例如，我們可以用不同顏色的光線來觸發反應或終止反應，或者控制產物的構象——如果不滿意，就讓它轉換成相應的對映體好了。又如，克萊登正在嘗試這樣一種體系，它能與某個催化劑相結合，但是一旦轉換構象之後又能把這個催化劑釋放出來，這一概念可以用於釋放類似於酶類抑制劑的物質。

向三級結構進發

既然摺疊體的“競爭對手”是天然的蛋白質，那麼摺疊體的目標，自然也就是向着蛋白質所擁有的三級結構進發。但是複製類似於蛋白質的三級結構是相當困難的。難點之一在於，大多數蛋白質有100多個殘基，這對於化學合成來説幾乎是不可能完成的任務；難點之二，是摺疊體所需要的單體也常常很難合成。

儘管困難重重，化學家還是嘗試了一些簡單的三級結構。他們已經利用一些基團生成了了能模仿鋅指結構域（能協調一個或多個鋅離子並結合多種生物分子的蛋白質基元）的摺疊體；於克甚至在非極性溶劑中生成了螺旋束（helical bundles），表明這種結構在與自然界截然不同的環境中也能形成[10]。

為了創造更大更復雜的結構，於克提出要向自然界取經，而他選擇的“師父”是核糖體。核糖體堪稱細胞裏的蛋白質工廠，它裏面的整套工作流程涉及mRNA和tRNA的互補配對、氨基酸轉運、多肽合成等多個過程，有很多值得借鑑的地方。於克形容他的長遠目標是“操縱核糖體這台機器，讓它去生產化學物質”。

於克從2018年開始了關於核糖體的工作，他使用大腸桿菌的核糖體合成了一個摺疊體和肽的雜化物，並且或多或少實現了他的一些設想[11]。當然，於克的藍圖現在還沒有完成，未來也不見得容易。

去做一些自然界力所不能及的事情

退回到30年前，一提到分子的摺疊，人們想到的問題大概還是“生物學上的雜聚物及其摺疊能力是否是獨一無二的”。如今，化學家已經給出了答案，他們可以舉出很多例子，來證明化學合成的分子鏈也具有摺疊能力，於是，問題變成了“能否製備足夠複雜的大型摺疊分子，以及能否操縱它們”。

摺疊體研究領域的進步當然得益於向自然界的“偷師學藝”，但是化學家確實從中找到了更廣闊的空間。“我們需要思考一些自然界根本就辦不到的事情。”於克提出，“至於關鍵性的進展將會出現在哪裏，誰知道呢？”

參考文獻

[1] E Guseva, R N Zuckermann and K A Dill, Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2017, 114, E7460 (DOI: 10.1073/pnas.1620179114 )

[2] J Garric, J-M Léger and I Huc, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 1954 (DOI:10.1002/anie.200462898 )

[3] Z C Girvin, M K Andrews, X Liu, S H Gellman, Science, 2019, 366, 1528 (DOI:10.1126/science.aax7344 )

[4] R Cheloha et al, Nat. Biotechnol., 2014, 32, 653 (DOI: 10.1038/nbt.2920 )

[5] S W Horne et al, Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2009, 106, 14751 (DOI:10.1073/pnas.0902663106 )

[6] J Fremaux et al, Nat Commun., 2019, 10, 924 (DOI: 10.1038/s41467-019-08793-y )

[7] R Brown et al, Nat. Chem., 2013, 5, 853 (DOI: 10.1038/nchem.1747 )

[8] F Lister et al, Nat. Chem., 2017, 9, 420 (DOI: 10.1038/nchem.2736 )

[9] D Mazzier et al, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 8007 (DOI:10.1021/jacs.6b04435 )

[10] S De et al, Nat. Chem., 2018, 10, 51 (DOI: 10.1038/nchem.2854 )

[11] J M Rogers et al, Nat. Chem., 2018, 10, 405 (DOI: 10.1038/s41557-018-0007-x )

原文鏈接：https://www.chemistryworld.com/features/the-function-of-folding/4012081.article