奧林匹克精神象征著團(tuán)結(jié)、友誼與追求卓越的人類(lèi)共同價(jià)值，奧運(yùn)五環(huán)標(biāo)志則不僅是視覺(jué)符號(hào)，更是奧林匹克精神的載體。這一精神意象不僅激勵(lì)著體育健兒，也啟發(fā)了化學(xué)家對(duì)分子世界中“奧林匹克環(huán)”(olympiadane)的執(zhí)著追求。自Sir Fraser Stoddart團(tuán)隊(duì)于1994年開(kāi)創(chuàng)性地合成分子奧林匹克環(huán)以來(lái)，這一由五個(gè)環(huán)狀分子機(jī)械互鎖而形成的結(jié)構(gòu)([5]索烴)便成為合成化學(xué)領(lǐng)域極具標(biāo)志性和挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。盡管DNA納米技術(shù)和超分子化學(xué)在該方向取得了一定進(jìn)展，但利用蛋白質(zhì)來(lái)構(gòu)筑奧林匹克環(huán)拓?fù)涫冀K困難重重。2024年，化學(xué)與分子工程學(xué)院張文彬教授課題組曾基于正交主動(dòng)模板策略在胞外實(shí)現(xiàn)了這一結(jié)構(gòu)，但該路線涉及多步體外操作，效率偏低且可拓展性受限(CCS Chem 2024, 6, 1047—1059)。如何在活細(xì)胞內(nèi)以簡(jiǎn)便、高效的方式一步構(gòu)筑這一復(fù)雜拓?fù)洌允且粋€(gè)懸而未決的難題。
 

　　近日，張文彬課題組通過(guò)理性組合異質(zhì)二聚纏結(jié)基元與分離型內(nèi)含肽，設(shè)計(jì)了一套多基因共表達(dá)系統(tǒng)，使多肽鏈在胞內(nèi)通過(guò)程序化組裝和協(xié)同環(huán)化，以極簡(jiǎn)而優(yōu)雅的方式實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)奧林匹克環(huán)的胞內(nèi)直接合成(圖1)。
 

　　研究者設(shè)計(jì)了兩種蛋白質(zhì)奧林匹克環(huán)——對(duì)稱的ABCBA型和非對(duì)稱的ABCDE型(圖2)。ABCBA型將中心環(huán)R3改造為同源二價(jià)模塊，由兩個(gè)4X86的B亞基串聯(lián)，可同時(shí)招募兩個(gè)相同的側(cè)翼[2]索烴單元，僅需共表達(dá)兩個(gè)質(zhì)粒即可組裝出對(duì)稱五環(huán)。ABCDE型則將R3設(shè)計(jì)為異源二價(jià)模塊，由4X86的B亞基與3A1G的A亞基融合，分別招募兩個(gè)不同的側(cè)翼[2]索烴單元(R1#R2和R4#R5)，需要三個(gè)質(zhì)粒協(xié)同表達(dá)以實(shí)現(xiàn)五個(gè)不同環(huán)的精準(zhǔn)組裝。
 

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種蛋白質(zhì)奧林匹克環(huán)均可在胞內(nèi)直接合成，目標(biāo)產(chǎn)物的分子量通過(guò)SDS-PAGE和LC-MS得到確認(rèn)。研究者利用嵌入各環(huán)中的三種正交蛋白酶切位點(diǎn)，通過(guò)不同組合的酶切實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種[5]索烴進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)驗(yàn)證，酶切產(chǎn)物的分子量分布均與理論預(yù)測(cè)匹配，證實(shí)了兩種產(chǎn)物均具有預(yù)期的奧林匹克環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖3)。
 

　　該平臺(tái)還展現(xiàn)出高度的模塊化和可拓展性。基于這一設(shè)計(jì)框架，研究者通過(guò)系統(tǒng)交換纏結(jié)基元在五環(huán)骨架中的排列順序，構(gòu)建了五種組成相同但序列排列各異的[5]cat-ABCDE異構(gòu)體(圖4)。得益于共表達(dá)策略的高度靈活性，這些異構(gòu)體均可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)分子克隆和胞內(nèi)表達(dá)直接獲得，無(wú)需為每種排列重新設(shè)計(jì)復(fù)雜的體外組裝路線。這一系列異構(gòu)體的成功設(shè)計(jì)與合成，充分展示了該平臺(tái)的靈活性與通用性。
 

　　綜上，該研究建立了一個(gè)極簡(jiǎn)而優(yōu)雅的復(fù)雜蛋白質(zhì)拓?fù)錁?gòu)筑方法，實(shí)現(xiàn)了從基因到目標(biāo)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一步式合成，形成一個(gè)模塊化、可拓展的編碼式分子開(kāi)發(fā)平臺(tái)。這一策略不僅進(jìn)一步拓展了蛋白質(zhì)主鏈拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)空間，也為化學(xué)拓?fù)鋵W(xué)與合成生物學(xué)的交叉融合開(kāi)辟了新路徑。
 

　　該研究近期發(fā)表于《化學(xué)》(Chem)，化學(xué)與分子工程學(xué)院許連杰博士為該論文的第一作者，化學(xué)與分子工程學(xué)院博士研究生蔣馮逸和許庭街為本工作作出了貢獻(xiàn)，張文彬?yàn)檎撐耐ㄓ嵶髡?。該工作得到了?guó)家自然科學(xué)基金、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心等項(xiàng)目的資助。
 

　　引用：化學(xué)與分子工程學(xué)院張文彬課題組實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)奧林匹克環(huán)的胞內(nèi)直接合成-北京大學(xué)【引用時(shí)間：2026年10月3日】