今天为大家分享一篇最近被Angew. Chem. Int. Ed.接收的文章，Controlling Optical and Catalytic Activity of Genetically Engineered Proteins by Ultrasound。这篇文章的通讯作者是来自德国亚琛工业大学的Andreas Herrmann教授。

在溶液中，超声波可以产生气泡从而使聚合物受到机械力拉伸甚至发生断裂。这种机械力化学在聚合物合成领域得到广泛应用：通过在聚合物上合适的位置放置力响应基团，超声可以选择性地使力响应基团发生断裂，从而发挥引发化学反应或者释放小分子等功能。同样地，机械力也会对生物大分子产生影响，但是是否能利用超声诱导来激活生物大分子的生物功能？A. Herrmann教授团队率先设计了一种机械力响应的蛋白质分子，并验证了这个猜想。

为了能够将机械力化学原理应用到蛋白质上，作者通过基因工程在蛋白质上引入一个长而可拉伸的区域。长而可拉伸的链更容易受到溶液剪切力的影响，因此可能会使蛋白具有机械力响应的特征。同时，蛋白质的结构也需要被重新设计，以使得它能在长链受到的剪切力的作用下发生特定的变化，比如蛋白的去折叠或者是活性分子的释放（图1）。

图1.  利用超声来改变基因工程蛋白质活性示意图 

作者首先利用GFP的去折叠实验来验证这个概念。为了防止超声对天然蛋白可能产生的破坏，作者使用增强折叠稳定性的突变蛋白sfGFP作为模型蛋白进行实验。作者在sfGFP的原N-端和C-端插入了一个甘氨酸丝氨酸 (GS) 连接子形成GFP-GS，同时在第10个和第11个β-链之间引入新的末端。从吸收、荧光和圆二色谱来看，改造后的GFP在超声下几分钟内结构都没有发生明显变化，说明这种变体具有较高的抗剪切力稳定性。为了使GFP-GS产生机械力响应性，作者将短的GS连接子换成了一些较长的类弹性蛋白多肽链 (ELP)。作者设想这些柔性的长链可以在溶液中展开，使蛋白可以像聚合物一样在机械力的作用下拉伸。

如图2所示，作者最开始使用较疏水的 (VPGVG)₄₀作为loop连接子，在超声的作用下，虽然GFP的荧光量子产率降低，但是由于V40的疏水性，GFP-V40在溶液中发生聚集并沉淀。于是作者将中性肽段替换成了亲水性的阴离子肽段VPGEG，防止蛋白聚集。吸收、荧光和圆二色谱等结果表明，超声并没有改变GFP的二级结构，但是超声会显著降低GFP的荧光量子产率。作者还发现，蛋白上引入多负电荷之后，蛋白的水和动力学半径增加，使它对超声的敏感性增加；同时将loop链变长之后 (GFP-E72)，蛋白对超声的敏感性也会增加。

图2.  超声诱导GFP-SUPs (Supercharged polypeptides) 去折叠示意图

在得到概念性验证之后，作者设想利用这一原理来对蛋白活性进行控制。如图3所示，作者使用胰蛋白酶与酶抑制剂 (BPTI) 作为模型进行验证。作者在BPTI的N-端与C-端分别引入泛素相关修饰蛋白（为了改善蛋白表达与折叠）与阳离子多肽K36，这两端均不会影响胰蛋白酶与酶抑制剂的结合。

作者使用小分子底物N-苯甲酰-_L-精氨酸乙酯 (BAEE) 来确定胰蛋白酶的活性。在一定浓度的胰蛋白酶处理下，BAEE在两分钟之内完全水解；而在相同条件下，加入BPTI抑制剂，BAEE没有发生水解。接着，作者对胰蛋白酶与SUMO-BPTI-K36形成的复合物进行超声处理。结果表明，超声60 s后，胰蛋白酶的活性恢复到之前的17 %，而对胰酶和SUMO-BPTI形成的复合物进行超声不会恢复蛋白酶的活性。同时，超声不会对胰蛋白酶本身造成太大的影响，受到机械力影响最大的是引入的亲水性长链。

图3.  利用超声拆解胰蛋白酶 (Trypsin, green) 和胰酶抑制剂 (BPTI, blue)，BPTI的C端修饰了阳离子多肽SUP(VPGKG)₃₆ (K36, red)，N端修饰SUMO (yellow, 用于增加表达)。

总之，在本文中，作者证明了超声产生的机械力也能够用于控制蛋白质的结构与功能。随着基因工程在应用领域的研究逐渐深入，我们可以很方便地在蛋白质上引入长的亲水性多肽链，使得蛋白质变得容易受到剪切力的影响，从而具有机械力响应的性质。本文作者成功利用超声控制了GFP与胰蛋白酶的活性，证明了这种方法的普适性。这种方法有可能实现远程调控体内蛋白质的活性，在未来有较大的应用潜力。

DOI: 10.1002/anie.202010324

Link: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202010324