Revisiting Protein–Copolymer Binding Mechanisms: Insights beyond the “Lock-and-Key” Model

共聚物 单体 化学 氢键 天冬酰胺 疏水效应 分子 组合化学 高分子化学 聚合物 氨基酸 生物化学 有机化学
作者
Xiao Xu,Menghan Xie,Siquan Luo,Xu Jia
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:15 (3): 773-781
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03200
摘要

The "lock-and-key" model that emphasizes the concept of chemical-structural complementary is the key mechanism for explaining the selectivity between small ligands and a larger adsorbent molecule. In this work, concerning the copolymer chain using only the combination of N-isopropylacrylamide (NIPAm) and hydrophobic N-tert-butylacrylamide (TBAm) monomers and by large-scale atomistic molecular dynamics simulations, our results show that the flexible copolymer chain may exhibit strong binding affinity for the biomarker protein epithelial cell adhesion molecule, in the absence of hydrophobic matching and strong structural complementarity. This surprising binding behavior, which cannot be anticipated by the "lock-and-key" model, can be attributed to the preferential interactions established by the copolymer with the protein's hydrophilic exterior. We observe that increasing the fraction of incorporated TBAm monomers leads to a prevalence of interactions with asparagine and glutamine amino acids due to the emerging hydrogen bonding with both NIPAm and TBAm monomers. Our findings suggest the appearance of highly specific and high-affinity binding sites on the protein created by engineering the copolymer composition, which motivates the applications of copolymers as protein affinity reagents.
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