中国科学技术大学刘世勇教授Angew：精确序列定义的聚合物——从测序到生物功能

基于此， 中国科学技术大学 刘世勇教授 综述了SDP测序技术的最新进展，包括串联质谱、化学辅助初级质谱，以及核磁共振波谱、圆二色谱和纳米孔测序等其他非破坏性测序方法。 并展望了SDP功能在生物前沿研究领域的应用前景。探索的主题包括基因递送系统，SDPs和核酸结合的杂化材料的开发，蛋白质的识别和调控，以及手性和生物学功能之间的相互作用。并对SDPs的未来发展方向进行了简要展望。相关工作以“Precision Sequence-Defined Polymers: From Sequencing to Biological Functions”发表在《 Angew 》

图1. 蛋白质和DNA的测序

使用Sanger试剂1-氟-2,4二硝基苯，通过n端修饰策略成功对胰岛素进行测序，被认为是聚合物测序的第一个例子。后来，Edman改进了这种测序方法并开发了Edman测序。在这种方法中，肽/蛋白的n-末端被苯基异硫氰酸盐修饰。然后产物在酸性条件下进行分子内环化，导致末端氨基酸裂解，最终释放苯硫代海因(PTH)氨基酸。随后，利用液相色谱(LC)或LC- ms鉴定解离的氨基酸(图1a)。通过重复这些过程来确定肽/蛋白质序列直到肽/蛋白质完全降解。

图2. 合成SDP的测序

串联质谱是SDPs中最常用的测序方法。其基本原理是将目标聚合物电离，然后在中性气体中加速，导致链主干和一些碎片解离。通过质量检测器检测这些片段以产生MS/MS光谱。因此，聚合物序列信息可以从质谱峰间推导出来。值得注意的是，侧链裂解可能伴随着主干分离产生嘈杂的质谱信号，从而干扰测序和解码。骨架的单次解离将产生两个互补的片段，导致两个质谱峰。然而，骨架裂解过程缺乏选择性，导致更复杂的质谱，进一步增加了序列读取的难度。幸运的是，聚合物骨架的可设计性为直接序列读取聚合物的发展提供了很大的优势。例如，在聚合物主链中引入弱键不仅可以使串联质谱条件下的平滑碎裂，而且可以有效地规避随机解离的干扰。已经报道过明显弱的债券，如NO-C债券[19]。我们的团队能够通过简单的后期修改来增加基于巯基马来酰亚胺加合物的SDPs的可读性(图2a)。

图3. 1,6-氮喹酮甲基消除反应来测定精确SIPs的序列

该团队最近报道了通过1,6-氮喹酮甲基消除反应来测定精确SIPs的序列。具体来说，选择uv响应的邻硝基苯醇衍生物作为精确SIP的触发器。在紫外线照射下，光敏部分解离并释放出硝基苯甲醛。此外，在聚氨酯末端释放二氧化碳后，苯胺暴露，引发了电子重排和聚合物链的自发串联解聚(图3a)。

图4. 通过 ¹ H NMR进行序列解码

核磁共振波谱是表征分子结构最有用的技术之一。事实上，聚合物链中单体单元的核磁共振信号直接受到其相邻部分的结构的影响。因此，原则上，NMR表征允许测定聚合物序列，但需要特殊设计的单元结构。例如，Colquhoun和同事合成了一系列特定的“镊子分子”用于测序(图4a)。

图5. 基于MS的SDP生物示踪

在MS技术的帮助下，SDPs的研究取得了重大进展。基于质谱技术的复杂生物系统SDPs溯源研究有望成为一个前沿和快速发展的方向。溯源机制包括从生物环境中提取、测序和后续验证。例如，Lutz和同事提出使用编码植入材料。他们将SDPs掺杂到PVA薄膜中，并将其植入大鼠体内3个月。然后去除薄膜，分离、收集SDPs并进行MS测序鉴定。这些结果为可追踪的生物医学材料的开发提供了巨大的希望(图5)。

图6. 基于编码的两亲性分子，构建了一系列具有不同形态的数字胶束

依托MS技术，该课题组的工作丰富了SDPs在生物系统中的应用。基于编码的两亲性分子，构建了一系列具有不同形态的数字胶束(图6a)。分别在细胞、血液、器官和组织切片水平对数字胶束进行识别、非标记定量和成像。将4种不同的数字胶束与细胞混合并共培养，采用MALDI-TOF ms检测细胞对不同数字胶束的摄取差异。结果表明，与纳米球、短、长纳米棒相比，中长度纳米棒更有利于细胞摄取。然后将混合的数字胶束注射到大鼠体内，同时测定各类型数字胶束的药代动力学和生物分布，直接比较它们在同一动物实体上的生物学行为。此外，与短的纳米棒相比，较长的纳米棒显示出较长的循环(图6b)。

【 小结 】

在这篇综述中，研究者重点介绍了SDPs测序技术的最新进展，并强调了SDPs与最先进的生物学和纳米医学研究的整合，这为SDPs的进一步发展提供了一个有前景的途径。测序技术的应用使SDPs的数据存储、分子信息学和防伪方法取得了重大进展。串联质谱用于测序的发展主要集中在选择性链裂解事件的优化和片段电离/检测的增强。具有低BDE的弱键，如苄基- o键，被有意整合到聚合物骨架中，以在串联质谱期间实现选择性解离，并减少来自次级和随机碎片的干扰。此外，在SDP链末端的PEG树突标记允许通过MALDI电离过程中金属离子的优先缔合选择性检测所需的链片段。由于两亲性，PEG枝状结构也赋予了SDPs的自组装能力。进一步，扩展弱链接库是至关重要的，这些弱链接可以方便地合并到SDPs中，用于直接序列解码。此外，将具有直接序列读取能力的SDPs与强大的自动化软件相结合，可以解锁无与伦比的测序速度。尽管有这些优点，串联质谱仍然是一种昂贵且不常使用的技术。注意，传统的ESI-MS测序对设备更友好，更容易获得。诱导SDPs级联或随机降解的化学辅助方法，加上使用LC-MS或初级MALDI MS表征中间体，也可以促进序列测定。此外，生成SDP片段的替代方法代表了初级MS测序的一个值得关注的方向。其中一种方法是利用热分解，结合初级质谱进行序列测定。除了对一个高纯度的SDP进行测序外，对具有相同摩尔质量但序列不同的SDP混合物进行测序既具有挑战性又具有吸引力。由于我们可以有意地调整SDP混合物的数量和比例，因此可以设想大量的主MS和串联MS模式，以提高安全性的高通量数据存储和信息加密为目标。据设想，对合理设计的模型精确的聚烯烃的质谱测序可能会为长期争论的问题提供线索，即微生物或蠕虫是否可以生物降解聚烯烃，如聚乙烯和聚丙烯。长期以来，由于缺乏可靠的表征技术和精确的分子模型，这一争论一直没有得到解决。这一问题的澄清可能为白色污染的全球问题提供一个新的视角。此外，超声、高能辐照(如γ射线)和其他能够诱导(随机或选择性)键断裂的方法也可以用于SDP测序。此外，非破坏性测序技术的发展也受到越来越多的关注。近年来研究表明，SDP序列与荧光发射行为密切相关。除了NMR光谱，CD和纳米孔测序，SDP化学结构的合理设计还可以进一步考虑荧光或紫外光谱。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202313370

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