基因编码结合顺磁金属的非天然氨基酸研究蛋白质构象

顺磁NMR，即利用由顺磁电子所引起周围残基化学位移和弛豫速率的变化来检测大分子的核磁共振波谱，作为一种强有力的研究工具已用于捕获处于高自由能态的大分子构象。受目前技术条件限制，该方法也存在缺陷，顺磁NMR仍依赖于将特定位点的氨基酸突变为半胱氨酸，在研究含功能性半胱氨酸的大分子（如蛋白质二硫键异构酶，PDI）时则难以应用；另外由于蛋白二聚体的逐渐累积，用此方法准备的样品保质时间过短。应用基因密码子扩展技术将有可能突破以上局限。.本研究计划用基因编码方法将结合顺磁金属离子的3-吡唑基酪氨酸等非天然氨基酸插入到PDI蛋白的特定位点，利用顺磁 NMR检测PDI与其底物作用后活性中心残基的构象，建立更通用的蛋白构象变化检测方法。这将为在溶液或生理环境下研究蛋白质的构象提供新的研究手段，同时有助于我们理解PDI与底物相互作用时的构象变化及巯基-二硫键的交换机制。

在本项目的资助下，我们成功利用基因编码的方法将可以结合金属离子的两种非天然氨基酸3-吡唑基酪氨酸和8-羟基喹啉丙氨酸高效特异性的引入到目标蛋白中，实现了其在体内的编码；活细胞中编码此类螯合金属的非天然氨基酸，为研究生物大分子中的光致电子转移现象，及利用生物元件实现高效可控的光致电荷分离提供了有力的工具。该新方法为蛋白动态构象变化研究提供了新的研究手段，为利用合成生物学手段生产可再生能源提供了新的研究思路，为金属蛋白设计提供了新的工具。本项目阶段性成果在Angrew.Chem.Intl.Ed杂志上研究论文2篇，并申请2项中国专利。