今天给大家分享一篇最近发表在Nature Chemistry上的研究，题为：Enzyme-free synthesis of natural phospholipids in water，文章的通讯作者是加州大学圣地亚哥分校的Neal K. Devaraj教授。

图1. 本文所采用的磷脂合成方法

众所周知，磷脂是细胞膜的主要构成部分，并在细胞内的区域化中扮演了重要的角色。人工合成磷脂分子有望促进其生物功能的研究，并为人们发展“人造生命”提供材料。然而目前磷脂分子合成的方法限制较多，主要为酶催化与化学法。其中，酶催化法需要将相关的酶提前嵌入双分子层中，这间接限制了其底物及应用范围；而化学法则需要在有机溶剂中进行，间接限制了对其结构功能的原位观测。在本文中，作者发展了一种合成磷脂的方法，以lysophospholipid（只含一个烷基链的磷酸甘油酯）与硫酯为原料，通过离子对介导在水相中高效地合成了磷脂（图1），为研究与细胞膜相关生物学问题提供了工具，并为发展在水相中的绿色化学奠定了基础。

在细胞中，lysophospholipid需要在酰基转移酶（acyltransferase）的催化下与脂肪酸硫酯发生酰基转移反应。受该过程的启发，作者们希望尝试不使用酰基转移酶直接将硫酯与甘油磷脂进行反应，为此，他们在硫酯的末端增加了带有负电荷的磺酸根（图1, 2a）以增加其水溶性。但是结果显示，使用该硫酯作为酰基供体只有不到1%的底物发生了转化。为了增加双酰基化磷脂的产率，作者对反应过程进行了分析，由于酰基转移会经历四面体过渡态，2a产率较低的原因可能是因为其反应物到过渡态的能垒较高，使反应在动力学上难以进行，稳定过渡态的结构则有利于产物的生成。于是他们想到使硫酯上带有正电荷，与磷酸根发生库伦相互作用，进而稳定过渡态，提高反应产率。基于这一设计，他们将硫酯末端的磺酸根换成了季铵盐（2b），在没有催化剂的情况下，优化后反应的转化率能够高达94%。

图2. 反应过渡态的分析

作者使用密度泛函对这一过程进行了研究，如图2所示，结果显示末端为季铵盐的反应能垒比磺酸根的低7.6 kcal/mol。结合实验结果，充分说明能够通过库伦相互作用稳定过渡态从而提高反应效率。

图3. 不同结构磷脂的合成

在对条件进行了优化后，作者开始尝试利用该反应合成多种天然的磷脂结构（图3）。2b能够与带有不饱和（3b）与饱和脂肪链（3c）的lysophospholipid进行高效的反应，同时将硫酯的脂肪酸部分换为棕榈酸对产率的影响也并不大。利用该方法，他们也成功地合成了磷脂酸。该反应具有较高的特异性，向体系中加入丝氨酸，苏氨酸等物质并不会影响其产率，而硫代乙酰胆碱也不会和相应的lysophospholipid发生反应。基于以上结果，作者认为可能是两种两亲性的反应底物在溶液中发生了预组装使反应官能团相互靠近，进而提高了反应效率，他们通过实验对这一假设进行了验证。

图4.反应过程中形成的囊泡结构

反应得到的产物能够在溶液中原位地形成细胞样囊泡，作者使用显微镜观察到了这一现象（图4）。这种磷脂双分子层能够在体系pH发生变化时在膜内外产生质子梯度，与生物膜极其类似。

总结来说，本文成功地水相中实现了磷脂的高效合成，该反应不需要酶催化，作者通过对硫酯结构的设计稳定了过渡态，同时底物的组装将反应官能团在空间上拉近进而极大地提高了反应效率。该策略有望为原位研究磷脂的生物学功能提供新方法，并为发展磷脂的绿色合成奠定基础。

作者：Roy Wu 审校：XW

Link: https://www.nature.com/articles/s41557-020-00559-0

DOI: 10.1038/s41557-020-00559-0