江苏
奥林匹克精神象征着团结、友谊与追求卓越的人类共同价值，奥运五环标志则不仅是视觉符号，更是奥林匹克精神的载体。这一精神意象不仅激励着体育健儿，也启发了化学家对分子世界中“奥林匹克环”（olympiadane）的执着追求。自Sir Fraser Stoddart团队于1994年开创性地合成分子奥林匹克环以来，这一由五个环状分子机械互锁而形成的结构（[5]索烃）便成为合成化学领域极具标志性和挑战性的目标。尽管DNA纳米技术和超分子化学在该方向取得了一定进展，但利用蛋白质来构筑奥林匹克环拓扑始终困难重重。2024年，张文彬课题组曾基于正交主动模板策略在胞外实现了这一结构，但该路线涉及多步体外操作，效率偏低且可拓展性受限（CCS Chem 2024,6, 1047-1059）。如何在活细胞内以简便、高效的方式一步构筑这一复杂拓扑，仍是一个悬而未决的难题。
近日，北京大学张文彬课题组通过理性组合异质二聚缠结基元与分离型内含肽，设计了一套多基因共表达系统，使多肽链在胞内通过程序化组装和协同环化，以极简而优雅的方式实现了蛋白质奥林匹克环的胞内直接合成（图1）。
图1. 蛋白质奥林匹克环的理性设计与胞内合成策略示意图
研究者设计了两种蛋白质奥林匹克环——对称的ABCBA型和非对称的ABCDE型（图2）。ABCBA型将中心环R3改造为同源二价模块，由两个4X86的B亚基串联，可同时招募两个相同的侧翼[2]索烃单元，仅需共表达两个质粒即可组装出对称五环。ABCDE型则将R3设计为异源二价模块，由4X86的B亚基与3A1G的A亚基融合，分别招募两个不同的侧翼[2]索烃单元（R1#R2和R4#R5），需要三个质粒协同表达以实现五个不同环的精准组装。
图2. 蛋白质奥林匹克环的分子设计与合成示意图
实验结果表明，两种蛋白质奥林匹克环均可在胞内直接合成，目标产物的分子量通过SDS-PAGE和LC-MS得到确认。研究者利用嵌入各环中的三种正交蛋白酶切位点，通过不同组合的酶切实验对两种[5]索烃进行了拓扑结构验证，酶切产物的分子量分布均与理论预测匹配，证实了两种产物均具有预期的奥林匹克环拓扑结构（图3）。
图3. 蛋白质奥林匹克环的合成与表征
该平台还展现出高度的模块化和可拓展性。基于这一设计框架，研究者通过系统交换缠结基元在五环骨架中的排列顺序，构建了五种组成相同但序列排列各异的[5]cat-ABCDE异构体（图4）。得益于共表达策略的高度灵活性，这些异构体均可通过标准分子克隆和胞内表达直接获得，无需为每种排列重新设计复杂的体外组装路线。这一系列异构体的成功设计与合成，充分展示了该平台的灵活性与通用性。
图4. 蛋白质奥林匹克环组成异构体的设计与合成
综上，该研究建立了一个极简而优雅的复杂蛋白质拓扑构筑方法，实现了从基因到目标拓扑结构的一步式合成，形成一个模块化、可拓展的编码式分子开发平台。这一策略不仅进一步拓展了蛋白质主链拓扑的设计空间，也为化学拓扑学与合成生物学的交叉融合开辟了新路径。
该研究近期发表于 Chem，北京大学化学与分子工程学院许连杰博士为该论文的第一作者，北京大学化学与分子工程学院博士研究生蒋冯逸和许庭街也为本工作做出了贡献，北京大学化学与分子工程学院张文彬教授为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、北京分子科学国家研究中心等项目的资助。
原文链接： https://doi.org/10.1016/j.chempr.2026.103185
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