分子自组装普遍存在于自然界和生命体中。通过“自下而上”的自组装策略，科学家可以构建结构多样的功能材料，并广泛应用于材料、药物和医学等领域。为了控制自组装结构的形成，科学家通常会引入外界刺激，如pH、温度、光照等。其中，酶作为一种天然的生物分子，被广泛应用于体内外的酶促组装。

然而，如何在环境复杂的活细胞内，对酶促组装进行时间和空间维度上的精准控制，目前仍然是一个挑战。

近日，西湖大学的王怀民研究员团队通过在分子水平上，给酶底物分子装上分子刹车片，利用细胞溶酶体内特有的酸性环境调控分子刹车片，构建一种全新的多层级组装策略，在活细胞中同时实现酸催化水解和酶促组装，进而实现组装体在特定细胞器内的精准形成。

首先，通过合理设计，作者在荧光多肽分子上引入双（二甲基氨基）磷酸，体外酶解和水解实验证明，在双（二甲基氨基）的保护下，多肽分子不会发生酶解。只有在酸性条件下，P-N键会发生断裂，暴露出酶促反应底物。进一步，在酸性磷酸酶（ACP）的作用下，多肽分子会进一步发生酶解，形成自组装多肽。冷冻电镜结果证明，酸解及酶解的进行可以促进纳米纤维的形成。

进一步，将双（二甲基氨基）保护的多肽分子与过量表达碱性磷酸酶（ALP）的人成骨肉瘤细胞（Saos-2）共孵育，激光共聚焦显微镜（CLSM）观察发现，绿色荧光大都位于溶酶体中，而没有该基团保护的多肽分子则会在细胞膜上聚集。生物电镜进一步证明了双（二甲基氨基）保护的多肽分子可以在溶酶体内形成纳米纤维水凝胶。因此，该基团的引入可以保护多肽分子在细胞膜和细胞质中不被碱性磷酸酶酶解，而当多肽通过内吞途径进入溶酶体时，P-N键会在酸性条件下水解，释放出酶促反应的底物，在ACP的作用下，多肽分子发生酶解，从而在溶酶体中发生自组装。

此外，通过将双（二甲基氨基）调整为双（乙酯），多肽分子不能在溶酶体中组装。而将双（二甲基氨基）磷酰氯修饰的酪氨酸变换位置，多肽分子依然能够在溶酶体内发生组装。因此，控制多肽分子在溶酶体内发生组装需要满足下面几个条件：1）设计的多肽分子衍生物需要具备抗酶解特性，保证其在细胞质或细胞膜上不被酶解；2）多肽分子衍生物在溶酶体需要发生化学反应，暴露出组装序列；3）组装序列可以在溶酶体中富集，形成有序结构。

该工作首次提出通过分子刹车片控制化学分子在体内的可控精准组装，整合了酸催化水解和酶诱导自组装，实现了在活细胞中特定细胞器发生分子自组装。该研究的发现为活细胞内精准合成功能性的多肽材料和药物提供了一种新策略。

论文信息：

Spatiotemporal Control over Chemical Assembly in Living Cells by Integration of Acid Catalyzed Hydrolysis and Enzymatic Reaction

Huaimin Wang, Xuejiao Yang, Honglei Lu, Yinghua Tao, Laicheng Zhou,

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202109729