Man-made Proteins Could Be More Useful Than Real Ones
Science Daily － 研究人員利用氨基酸製造出了一種自然界中並不存在的蛋白質，並且發現這些人造蛋白質可以形成類似像天然蛋白質般複雜、且穩定的結構。這個發現也許可以幫助科學家們去設計藥物，讓他們的蛋白質表現得像是實際的蛋白質一樣，同時也可以讓這些人造蛋白質就像是天然蛋白質一樣的躲過人體的免疫系統，甚至可以防止被人體酵素降解而影響藥物開發的結果。
圖1. Structure of the Zwit-1F beta-peptide bundle as determined by x-ray crystallography. The bundle contains eight copies of the beta-peptide Zwit-1F with parallel and antiparallel helices in like and unlike colors, respectively. (Image Credit: Douglas S. Daniels)
這個研究是由在 HHMI 從事研究工作的 Alanna Schepartz 教授主導，並且已經將這個成果發表於 2007 年二月十四日出版的美國化學協會期刊（Journal of the American Chemical Society，簡稱 JACS）紙本，其網路版本已於一月十九日發表於該協會的網站上。同時包含 Schepartz 在內的其他共同作者，如 Douglas Daniels、James Petersson, 以及 Jade Qiu 等人也同在美國耶魯大學（Yale University）內服務。
圖2. JACS, 2007, 1532 相關報導的標題
作為 HHMI 的教授，Schepartz 接受了一百萬元的補助金並鼓勵研究生在研究過程中也能保有學習的興奮熱誠。因此有許多她的研究生合成了 β-氨基酸單體，同時並用這些單體製合成備了蛋白質。
Schepartz 與她的同事們利用 β-氨基酸建構了一個短蛋白，或胜肽，雖然他們存在於細胞當中，但由 ribosomally 所生產的蛋白質卻從未被發現過。β-氨基酸不同於 a-氨基酸可以藉由導入單一化學成分─ 甲烯基（methylene group）─ 到胜肽骨架中。
圖3. alpha-氨基酸與 beta-氨基酸在結構上的差異
「從這項研究中可以發現，β-氨基酸可以組裝形成像天然蛋白質一樣的形狀，且其結構同時也具有穩定性，」Schepartz 這樣說到。她與她的同事們可以將這些分子結構上的發現幫助科學家們在日後建構更精細的 β-胜肽，同時進行它們的生物活性探討。
圖4. 利用 β-氨基酸形成 β-胜肽
其實 β-胜肽比天然的蛋白質更適合拿來當作發展藥物治療的靶點，因為一般的酵素會將天然的蛋白質給分解掉，但是卻不會影響到 β-胜肽。
對生化學家而言，由氨基酸依照特定順序所組成的線性蛋白鏈就稱為一級結構（primary structure）。而當這些一級結構的蛋白經過折疊而行成特定的構型時，就稱為二級結構（secondary structure）。至於三級結構（tertiary structure）的組成則是這些具有二級結構的蛋白質彼此在三維空間上聚集形成一特定的形狀時稱之。在決定蛋白質的活性上，每一個組成都是極具重要的。
在先前的研究中，研究人員展示了 β-胜肽可以由一級構型的蛋白鏈形成更加複雜的二級結構。但是他們的 β-胜肽很少或幾乎很難形成三級結構，而且也沒有發現會像天然的蛋白質一樣形成穩定的束狀螺旋結構。
而在這篇研究當中，研究團隊製造出了一種名為 Zwit1-F 的 β-胜肽。他們允許這些 β-氨基酸鏈組裝成為他們所需要的結構，並且透過 X-射線晶格繞射分析技術將這些蛋白質的晶體進行結構的檢視。
圖5. (A) Ribbon diagram of the Zwit-1F octamer, with parallel 314 helices in like shades. (B) Space-filling rendering of â3-homoleucine sidechains in green illustrate the well-packed hydrophobic core, while interior (C) and exterior (D) views of each hand detail the hydrophobic and electrostatic interactions of the assembly.
研究發現 Zwit1-F 胜肽會折疊成一束如同天然蛋白質般的螺旋。Schepartz 特別強調無論是天然的蛋白質或是 β-胜肽束，他們結構中的「疏水基（hydrophobic）」通通都是往內縮而形成結構的核心。換句話說也就是結構中討厭水的部分都是集中在核心部分。
圖6. Beta-Bundles: Ribbon diagram representations of a beta-peptide bundle illustrating packing between helices and within the hydrophobic (green) core. (Credit: Schepartz/Yale)
「有趣的是當你從遠處觀看 β-胜肽束時，就會發現它長的很像 a-胜肽束，」她說到。「它擁有大量的疏水核心、平行與反平行螺旋以及在表面上具有極性側鏈的陣列。從遠方看起來你會說這就像是具有螺旋束狀的一般蛋白質。」
「然而只有當你仔細的去觀察細微的細節時才會發現 β-胜肽與天然蛋白質當中的差別。」Schepartz 這樣表示。舉例來說，天然胜肽彼此會相互緊貼著對抗彼此，而其從螺旋延伸出來的側鏈彼此在空間排列上會相互吻合，就像山脈的山谷般。然而 β-胜肽的側鏈結構看起來就像是彼此連鎖的手指。
Schepartz 說到，從研究 Zwit1-F 三級螺旋束狀結構中可以提供設計更複雜的 β-胜肽的「結構藍圖」，而且這類的蛋白也許可以具有如同天然蛋白的功能。天然的蛋白質通常在細胞當中的運作是以酵素的型態存在，並可以催化的促使化學反應的進行。
Schepartz 與其研究團隊也嘗試著將 Zwit-1F 結構與金屬離子結合。因為金屬離子與蛋白結構的鍵結（binding）過程可以讓研究人員擁有設計 β-胜肽相關酵素的依據。「我們同時也對細胞膜的組成感到興趣，因為這是利用 β-氨基酸製造穿膜蛋白的第一步。」
在他們的發現中，其中最令人感到興奮之一的成果是也許可以設計 β-胜肽成為藥物。Schepartz 說「最有趣的算是利用蛋白質成為藥物，雖然有些蛋白質是非常有效的配藥，不過它們的儲存與穩定性往往是在體外最大的問題，而另一問題則是在人體內容易被降解（degradation）。相較之下，β-胜肽比起傳統的蛋白質藥物有更好的穩定性，而且在生物的細胞內也不容易被蛋白水解酶辨識而遭到破壞。」
圖7. (A) Helical net cartoon of Zwit-1F with a-amino acids represented by single-letter codes. a3O signifies a3-homoornithine. Concentration (B) and temperature (C) dependent CD spectra of Zwit-1F at 25 °C in phosphate buffer (pH 7.1).
Schepartz 也說到當他們發現 β-胜肽 Zwit1-F 結構特性就像是天然的胜肽時，心中確出現了更多關於其生物方面的疑問：比如說為什麼 β-胜肽蛋白並不存在於自然界中呢？「其實在細胞中 β-胜肽確實是存在的，而且它們也會裝載到轉移RNA分子，他們會攜帶著氨基酸的片段進入到細胞中負責產生蛋白質的核醣體身上。」她這樣補充到，「但是以我們現有所知道的，並沒有任何的蛋白質經過核醣體之後會含有 β-氨基酸。」同時她也說到：「大多數對於 β-氨基酸的研究都指出它們並不是蛋白質的建構單位，這是因為它們無法組裝成複雜的蛋白質結構。不過從我們的研究中明白的顯示它們是會的！」
在哈佛大學 HHMI 專門研究核酸與胜肽分子功能的研究員 Jack Szostak 說到：「這篇論文顯示了類蛋白質折疊結構可以藉由不同骨架的類蛋白分子以化學的方式形成。這很像最近由 Eschenmoser、Herdewijn 與 Benner 等人所發表的結果，他們指出數種在化學性質上相異的 RNA 與 DNA 依舊可以形成雙鹼基對（base-paired duplexes）。」
圖8. 本文主作者 Alanna Schepartz 教授照片
Note: This story has been adapted from a news release issued by Howard Hughes Medical Institute.
原始報導：http://www.sciencedaily.com/releases/2007/02/070207090959.htm
相關報導：http://www.sciencedaily.com/releases/2007/02/070205231608.htm
原始論文： J. Am. Chem. Soc., 129 ( 6 ), 1532 - 1533 , 2007
論文出處：http://pubs.acs.org/cgi-bin/sample.cgi/jacsat/2007/129/i06/abs/ja068678n.html