Small Structures:蛋白质-配体相互作用的单分子研究: 在DNA折纸上以亚纳米精度排列小分子

化学是调控和研究分子结构的艺术,也是探索生命,开发药物的强大工具。当代生物技术的对象是几纳米到几十纳米的蛋白大分子,而有机合成能对药物小分子的原子逐一修改。与之相比,我们在亚纳米到一纳米这个尺度上的手段就相对欠缺了。这正是蛋白-蛋白互相作用的尺度,而以蛋白-蛋白互相作用作为靶点则是未来药物开发的大趋势。我们致力于在这个狭小但非常重要的尺度上开发新的合成与分析技术。

DNA折纸是指将一条长的DNA单链利用多条短的DNA单链,通过碱基互补配对,折叠且固定成特定的纳米结构的技术。DNA折纸结构具有高度的定位功能和可设计性,它允许在DNA折纸表面以纳米或亚纳米级的分辨率固定多个生物分子。在过去的十年中,DNA折纸纳米结构已经发展成为研究众多生物分子相互作用的多功能平台, 如DNA杂交, 蛋白质-DNA结合,DNA的构象转换,抗体-抗原结合等。蛋白质与小分子配体的结合也是一类极为重要的生物分子作用, 是药物筛选和基于片段的药物发现(FBDD)的核心。

德国帕德伯恩大学化学院纳米生物材料研究组Adrian Keller和Zhang Yixin教授课题组成功利用DNA折纸结构作为基底,实现了小分子片段纳米阵列的组装, 并通过原子力显微镜(AFM)直接观察蛋白质与纳米阵列的作用,从而研究蛋白质单齿和双齿配体的结合。研究表明,配体连接到DNA折纸的间隔物(spacer)长度会影响两个配体在空间上的组合,并对结合产率有很大的影响。在此背景下,他们在此研究中进一步探索了小分子片段间距对蛋白质-配体结合的影响,以亚纳米精度调节小分子在DNA折纸上的距离。为探究这种方法的可行性,我们建立了胰蛋白酶与小分子配体4-氨基苯甲脒(B)和3-碘异硫氰酸苯酯(I)发生不对称双齿结合的实验系统。在实验中, 将两个配体分别结合在两段特定的DNA的5’ 端 和3’ 端,通过DNA的自组装将配体固定在DNA折纸上,并使用原子力显微镜在单分子水平上量化蛋白和配体的结合产率。两个配体在DNA折纸上的间距可以通过控制短链DNA上的碱基来微调,从而改变配体在纳米阵列上的空间几何排列。研究人员使用oxDNA2粗粒模型进行了分子动力学模拟,结合单分子AFM检测所得的结合产率, 发现了该双齿配合系统中配体的最佳排列, 并指出在二维界面上,胰蛋白酶双齿结合产率受到DNA折纸上配体间距的强烈影响。 DNA折纸表面本身的局部微环境也可能对胰蛋白酶与配体的结合产生影响。综合考虑溶液相的蛋白-配体作用的实验结果(微量热泳,MST), 研究人员发现虽然胰蛋白酶与DNA折纸存在非特异性作用,这种三维空间中的非特异性结合的干扰在二维界面能被大大抑制。

综上所述,本文报道了小分子配体距离对蛋白质-配体相互作用的影响, 探究了在亚米精度上调整配体间距的可行性。相关结果发表在Small Structures(DOI: 10.1002/sstr.202000038)上。