聚糖发夹的合成 - 有机定制合成网

分享的是近期发表在Nature Chemistry上的一篇文章——Synthesis of a glycan hairpin。本文通讯作者为马克斯普朗克胶体与界面研究所的Martina Delbianco。本文作者受肽模型系统启发，设计了一种形似发夹的二级聚糖结构——其在多领域有着巨大的潜力，并分别介绍了其设计规则、合成方法和质谱分析。

首先，作者介绍了氨基酸折叠体的发展成果及其广泛的应用。与之相比，聚糖从未被设计过，在单体数量上有着巨大潜力（100种单糖 vs 20种α-氨基酸）。聚糖有两个吸引人的特点，一个是其有着明确指向的羟基，另一个是自组装。但问题是聚糖合成复杂，缺乏设计原则。在过去，聚糖被认为是柔性分子，很少有二级结构；而最近有证据表明，即使是小聚糖也可以在溶液中有着相对明确的构象——这无疑为聚糖发夹的设计奠定了理论基础。

受肽模型系统启发，作者在水溶液中设计了发夹状二级结构。设计基于天然糖类结构元素的组合，并辅助分子动力学（MD）模拟。自动化糖类组装（AGA）技术提供了快速获得一系列定义明确的糖类序列的途径——其中包括¹³C标记的类似物，以便进行结构和构象分析。核磁共振（NMR）谱学检测到了远程的核过量效应（NOEs），毫无疑问地证实了合成的糖类发夹结构的存在。

其次，作者介绍了发夹模型。在蛋白质发夹模型中，β-转角作为β-折叠的核心，在平行或反平行方式下将两个链条相邻，并促进链间相互作用（图1）。分子内氢键和侧链相互作用稳定了这一结构单元。

图1 聚糖发夹的结构

而聚糖与蛋白质不同，其有着富含羟基的骨架，有着自己的新规则：1.聚糖与水相互作用，严重影响了构象，并破坏了分子内氢键；2.长程残基相互作用很少，且缺乏疏水侧链，从而限制了二级结构的稳定性；3.存在巧妙的非共价相互作用，从而影响宏观性质和生物活性。

作者选择Lewis X(Le^x , α-l-Fuc-(1,3)-[β-d-Gal-(1,4)]-d-GlcNAc) 三糖作为聚糖发夹的出发点（即β转角），因为其有着与肽发夹β转角相似的构象——相当刚性的封闭构象；L-Fuc的甲基与Gal的β面之间的疏水相互作用；非常规CH…O氢键，并因此形成了一个十元环。至于链条，作者选择了纤维素骨架——其在溶液中刚性条状构象、强分子间相互作用、自组装等优秀性质。（图2）总的来说，作者的设计包括一个刚性的转角聚糖，由一个非常规的CH…O氢键稳定，携带两条纤维素聚合物链。在此基础上，作者设计了几种聚糖发夹，并进行了原子级分子动力学模拟预测了其构象倾向。

图2 聚糖发夹结构单元的选择

随后，作者介绍了聚糖发夹的合成方法——自动聚糖组装（AGA），一种固相自动合成法。该方法使用保护的单糖基建筑块，利用模块循环进行糖基化和去保护修饰，构建成双链结构。最终在固相甲醇解、光化学分离和氢解等步骤后得到了所需的化合物，总收率为10-27%。（图3）

图3 聚糖发夹的合成

最后，作者介绍了质谱结构分析。转角的关键特征是非常规的的CH…O氢键，而NMR可以检测到这一信息——对于有氢键的结构，可以观察到明显的化学位移增加（图4）。

图4 化学位移增加

而为了确认在假定的发夹两侧的关键残基之间的空间接近性，作者采用了核奥弗豪瑟效应光谱 (NOESY)实验。在“九糖发夹”中，存在化学位移简并，作者利用AGA反应进行¹³C标记，并采取了半过滤的¹H[¹³C]，¹H[¹²C] NOESY实验，从而得到了合适的信号（图5）。进一步测试中，作者还进行了扩散有序核磁共振波谱学（DOSY）。最终，上述测试都与分子模拟预测一致。