通过突变自组装肽发现技术固体的分子识别

在最近发表在《Small》杂志上的一项研究中，日本金泽大学纳米生命科学研究所（WPI NanoLSI）的研究人员与美国西雅图Sarikaya教授合作，使用调频原子力显微镜揭示了基因设计和点突变肽的分子结构及其自组织，每个肽在原子平坦的石墨和MoS2表面形成单分子厚、不同的生物晶体，为生物电子、生物传感器和蛋白质阵列等混合技术提供了一个潜在的平台

蛋白质是生物学中的关键分子构建块，执行酶功能，传输离子和电子，并构成细胞结构的主要基础设施，如离子泵。蛋白质的功能取决于它们的氨基酸序列，而氨基酸序列又决定了它们的三维分子结构

蛋白质的氨基酸序列由特定特定细胞的基因（DNA编码）编码。因此，氨基酸序列中的任何缺陷，如点突变、氨基酸位置的变化、缺失的氨基酸或两个或多个氨基酸的转位，都会影响蛋白质的分子结构，这反映在它们的功能中，通常会导致遗传病

与蛋白质类似，肽也由氨基酸单元组成，每个肽都有一个独特的序列；然而，它们要短得多，从10到30个单位不等，并且类似地由DNA编码。与蛋白质相比，它们更容易操作、设计和使用，因为蛋白质要大得多（数百或数千个氨基酸长），难以合成，而且使用起来不切实际

因此，如果要在分子尺度上基于生物学的经验教训开发未来的实用技术，就必须使用肽来建立基础科学，然后可以在现实世界中应用，如生物传感器、生物电子、逻辑设备以及药物，所有这些都基于生物学的教训

意识到这一前提，Sarikaya教授在20年前提出了一种新的融合科学方法，涉及基因工程、分子生物学、信息学、机器学习以及材料科学和工程，用于设计固体结合肽，并展示了其在实际混合技术中的应用

在这项新的研究中，其中一种肽，特别设计为石墨结合肽，突变为两种不同的肽，M6和M8，每种肽名义上具有相同的分子量和大小，但包含带电氨基酸的点突变，一种为阴性，另一种为阳性

正如预测的那样，它们会以不同的方式发挥作用。然而，无法先验预测的问题是，它们的行为究竟如何与彼此和野生型（原始）肽不同，以及它们的分子结构和在基质石墨表面的动力学行为的细节是什么

这些问题的答案，迄今为止缺乏这些问题限制了对突变体及其可预测行为之间关系的理解，需要非常高的分辨率，并在水中对处于天然状态的分子进行几秒到几小时的直接成像

这就是福岛武教授的实验室在金泽大学WPI纳米生命科学研究所的照片，他的团队在那里开发了调频原子力显微镜设备，能够以接近埃的图像分辨率在水环境中长时间询问分子尺度的物体——这是实验系统的一种不同寻常的能力组合，尤其是生物研究

在Ayhan Yurtsever博士、平田开人博士、孙林浩博士和福马武博士的带领下，研究人员凭借其高超的实验能力（在长时间的测试中有着无尽的耐心），以前所未有的细节发现了突变体的行为，提供了跨越从材料科学到物理、化学和生物学等几个传统多样学科的具有重要意义的结果

首先，尽管存在突变，并且每个肽各自具有不同的总电荷，但每个肽不仅与石墨表面结合，而且组装在一起，形成单分子厚的肽晶体。然而，当第一个突变体，带负电的突变体，在每个晶格中形成了两个分子（相互包裹）的晶体倾斜晶格时，第二个突变体，带有正电的突变体形成了包含单个肽的不同倾斜晶格

这里真正有价值的是，肽的行为与它们的分子结构简单直接相关，使用分子动力学建模。因此，研究人员能够从数学上描述每种肽（每种肽形成不同的倾斜分子晶格）与石墨基质的六边形晶格之间的关系，这被专门描述为手性识别

实际上，这意味着每个肽都被证明与基质石墨形成了一个混合界面，最好描述为在晶体上是一致的，两者之间没有明显的间隙，这与生物学中的配体-受体或蛋白质/DNA相互作用没有什么不同

以前既没有如此清楚地观察到“活”分子对固态物体的分子识别，也没有将其细节描述为手性的，这都增加了本出版物中给出的结果的重要性

一方面，从生物学的角度来看，关于突变如何导致分子构象变化，现在有足够的数据和细节