杯芳烃基两亲分子和超两亲分子与蛋白质的聚集及对蛋白质的识别和活性调控

Many diseases are closely related to the over expression of certain proteins or abnormality of enzyme activity, so studying the identification and activity regulation of protein is of great significance. We recently found that when the upper rim of calixarene was functionalized with sulphonate ion or ammonium ion, the light scattering behavior of calixarene/protein mixture and the effect of calixarene on protein activity were obviously correlated with protein. Moreover, calixarene and surfactant could bind with protein together and affect the protein activity. Since calixarene molecules are easily to be functionalized and can combine with protein at multiple sites, this project aims to construct a series of calixarene-based amphiphiles and supra-amphiphiles (based on non-covalent interactions between calixarene and surfactant), study the interactions of calixarene-based amphiphiles and supra-amphiphiles and non-amphiphilic calixarenes with different proteins and the relative aggregation behaviors, explore the efficiencies of calixarenes in protein recognition and activity regulation, and then, elucidate the synergy/addition effect of various non-covalent interactions. Based on these studies, the target protein may be identified and the activity may be regulated effectively through the optimizations of the structure of calixarene-based amphiphiles or the components of calixarene-based supra-amphiphiles. This study should not only put forward new ideas for the construction of functional calixarene-based assemblies, but also help to promote the application of calixarene in the field of life science.

很多疾病与蛋白质过度表达或酶活性异常密切相关，因此开展有关蛋白质识别与活性调控的研究意义重大。我们近期发现杯芳烃上缘经磺化或季铵盐化后，杯芳烃与不同蛋白质混合后体系的光散射行为差异显著，杯芳烃对蛋白质活性的影响表现出蛋白质相关性，杯芳烃可和表面活性剂共同与蛋白质作用并影响蛋白质活性。本项目拟利用杯芳烃易于选择性官能化、可以多位点与蛋白质结合的特点，分别设计合成系列两亲性和非两亲性杯芳烃、利用非两亲性杯芳烃和表面活性剂构建系列杯芳烃基超两亲分子，系统研究两亲性杯芳烃、非两亲性杯芳烃和杯芳烃基超两亲分子与多种蛋白质的相互作用与聚集行为，探究它们对蛋白质的识别和活性调控性能，阐述多种非共价作用的协同/加和效能及机制；通过杯芳烃基两亲分子结构的设计、超两亲分子组成的优化高效识别目标蛋白质并有效调控其活性。本研究为构建功能性杯芳烃分子有序组合体提出新的思路，有助于推动杯芳烃在生命科学相关领域的应用。

有关蛋白质的识别与活性调控研究对认识生命活动过程以及疾病的发生、发展和治疗具有重要的意义和价值。杯芳烃是由苯酚单元通过亚甲基桥连而成的环状低聚物。杯芳烃不仅能有效地结合蛋白质，还能被细胞吸收，并表现出较低细胞毒性。本项目分别设计合成了系列两亲性杯芳烃，利用非两亲性杯芳烃和表面活性剂构建了系列杯芳烃基超两亲分子，通过综合利用荧光光谱、紫外-可见吸收光谱、圆二色光谱、NMR、光散射仪、电镜以及分子对接等方法，研究了两亲性杯芳烃、非两亲性杯芳烃和杯芳烃基超两亲分子与蛋白质的相互作用，发现杯芳烃/蛋白质复合物通过静电作用、疏水作用、氢键、盐桥、π-π堆积等多种相互作用稳定，基于目标蛋白质的性质和氨基酸组成，通过改变杯芳烃所带电荷种类、空腔大小及其两亲性能，可增强杯芳烃与目标蛋白质的结合。杯芳烃季铵盐可提高酶的活性，而磺化杯芳烃则抑制酶的活性，且它们对酶活性的提升或抑制程度与酶的种类直接相关。杯芳烃与表面活性剂的结合通过静电作用、氢键、π-阳离子作用和疏水相互作用等共同稳定，因此，杯芳烃基超两亲分子的性质与杯芳烃和表面活性剂的摩尔比及表面活性剂的结构直接相关。蛋白质不会破坏杯芳烃和表面活性剂的结合，相反，蛋白质通过与表面活性剂的作用与表面活性剂/杯芳烃复合物结合。当蛋白质与表面活性剂/杯芳烃复合物混合后，蛋白质的活性与只有表面活性剂或杯芳烃存在时均显著不同，且蛋白质活性与表面活性剂和杯芳烃的含量比密切相关。因此，利用表面活性剂可进一步影响杯芳烃对蛋白质活性的调控程度。本项目研究为未来构建不同性质的功能性超分子和超两亲分子提供了理论基础，为杯芳烃在蛋白质识别和活性调控领域的应用提供了科学基础和理论依据，也为杯芳烃在材料学、医学及药学领域的应用开拓了新的研究思路。