研究人员使用多价金纳米粒子开发高效分子探针

诸平

Fig. 1 Graphical abstract that the gold nanoparticle-based affinity labeling for identifying specific carbohydrate-binding proteins. Kaori Sakurai/TUAT

据日本东京农工大学（Tokyo University of Agriculture and Technology简称TUAT）网站2021年7月5日提供的研究新闻，该校的研究人员使用多价金纳米粒子开发出高效分子探针。相关研究结果于2021年6月1日已经在《应用化学国际版》（Angewandte Chemie International Edition）杂志网站发表——Nanako Suto（須藤菜々子）, Shione Kamoshita（鴨下潮音）, Shoichi Hosoya, Kaori Sakurai（櫻井香里）. Exploration of the Reactivity of Multivalent Electrophiles for Affinity Labeling: Sulfonyl Fluoride as a Highly Efficient and Selective Label. Angewandte Chemie International Edition， First published: 01 June 2021. DOI: 10.1002/anie.202104347. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202104347。图1是来自论文图形摘要的图示，用于识别特定碳水化合物结合蛋白的基于金纳米颗粒的亲和标记。

细胞也会玩一场精确的电话游戏，互相发送信息以触发进一步的行动。有了明确的信号，细胞就能实现了它们的目标。然而，在疾病中，细胞信号会中断并导致信息混乱和意想不到的后果。为了帮助解析这些信号以及它们如何在健康中发挥作用——并在疾病中出错——科学家们用标签标记蛋白质，当蛋白质与周围的分子世界相互作用时，他们可以跟踪。

挑战在于首先确定要标记哪些蛋白质。现在，由东京农工大学 (TUAT) 的研究人员领导的团队，开发了一种新方法来识别和标记特定蛋白质。他们于2021年6月1日已经在德国化学学会的期刊——《应用化学国际版》（Angewandte Chemie International Edition）杂志网站发表了他们的研究结果。

此论文的通讯作者、TUAT生物技术和生命科学系（Department of Biotechnology and Life Science at TUAT）副教授樱井香里（Kaori Sakurai）说：“我们有兴趣探索参与介导细胞信号传导的某些碳水化合物分子的蛋白质受体，特别是在癌细胞中。”

碳水化合物分子，称为配体，通常在细胞表面表达，并且已知与蛋白质受体动态形成复合物以协调复杂的细胞功能。然而，樱井香里说，负责结合碳水化合物的蛋白质很难识别，因为它们与分子的结合非常弱。研究人员设计了一种新型碳水化合物探针，它不仅可以与分子连接，而且可以与它们紧密结合。

樱井香里说：“我们使用金纳米粒子作为支架，以多价方式连接碳水化合物配体和亲电试剂——一种喜欢与其他分子反应的化学物质。通过这种方式，我们能够大大提高对碳水化合物结合蛋白的结合亲和力和反应效率。”

研究人员将设计的探针应用于细胞裂解液，这是一种含有破碎细胞内脏的液体。樱井香里说：“探针很快找到了目标碳水化合物结合蛋白，触发亲电子基团与附近蛋白质上的给电子氨基酸残基反应。这导致蛋白质牢固地交联到金纳米粒子的表面，使得随后分析它们的身份变得容易。”

该团队评估了几个亲电子基团，以确定标记目标蛋白质的最有效类型。

此论文的第一作者、曾经是TUAT 生物技术和生命科学系研究生須藤菜子（Nanako Suto）说：“我们发现称为芳基磺酰氟（aryl sulfonyl fluoride）的特定亲电子基团最适合对碳水化合物结合蛋白进行亲和标记。然而，它们很少被用于识别目标蛋白质，大概是因为它们会非选择性地与各种其他不需要的蛋白质发生反应。”

然而，芳基磺酰氟的使用规模似乎缓解了这个问题。

此论文的共同作者之一、TUAT生物技术和生命科学系的研究生鴨下潮音（Shione Kamoshita）说：“如果在纳米级范围内以非常低的浓度使用芳基磺酰氟，则非选择性不是问题。金纳米颗粒支架显示出许多亲电子基团，这使芳基磺酰氟在纳米颗粒表面的局部浓度保持在较高水平，但会限制它们与一般细胞系统接触并与不需要的蛋白质发生反应。由于纳米级的高浓度，一些亲电子基团可以有效地与目标蛋白质反应。”

樱井香里说：“通过这个过程，我们能够对细胞裂解物中的碳水化合物结合蛋白进行高效和选择性的亲和标记。我们将应用这种新方法来识别几种与癌症相关的碳水化合物配体，并研究它们在癌症发展中的功能。同时，我们的目标是探索这种新探针设计对各种其他生物活性小分子的普遍效用，以便我们可以加速阐明它们的机制。”

当然，此项研究主要是日本东京农工大学的樱井香里实验室的研究人员完成的，除此之外，东京医科齿科大学研究所的 細谷祥一（Shoichi Hosoya） 博士也对本文做出了贡献。此项研究得到日本学术振兴会的支持。上述介绍仅供参考，欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Here we explored the reactivity of a set of multivalent electrophiles cofunctionalized with a carbohydrate ligand on gold nanoparticles to achieve efficient affinity labeling for target protein analysis. Evaluation of the reactivity and selectivity of the electrophiles against three different cognate binding proteins identified arylsulfonyl fluoride as the most efficient protein-reactive group in this study. We demonstrated that multivalent arylsulfonyl fluoride probe 4 at 50 nm concentration achieved selective affinity labeling and enrichment of a model protein PNA in cell lysate, which was more effective than photoaffinity probe 1 with arylazide group. Labeling site analysis by LC–MS/MS revealed that the nanoparticle-immobilized arylsulfonyl fluoride group can target multiple amino acid residues around the ligand binding site of the target proteins. Our study highlights the utility of arylsulfonyl fluoride as a highly effective multivalent affinity label suitable for covalently capturing unknown target proteins.