Label-Free Mapping of Multivalent Binding Pathways with Ligand–Receptor-Anchored Nanopores

化学 配体(生物化学) 生物物理学 单体 蛋白质亚单位 受体 立体化学 生物化学 有机化学 基因 生物 聚合物
作者
Hui Ma,Yongyong Wang,Y F Li,Bao-Kang Xie,Zheng‐Li Hu,Ru‐Jia Yu,Yi‐Tao Long,Yi‐Lun Ying
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.4c04934
摘要

Understanding single-molecule multivalent ligand–receptor interactions is crucial for comprehending molecular recognition at biological interfaces. However, label-free identifications of these transient interactions during multistep binding processes remains challenging. Herein, we introduce a ligand–receptor-anchored nanopore that allows the protein to maintain structural flexibility and favorable orientations in native states, mapping dynamic multivalent interactions. Using a four-state Markov chain model, we clarify two concentration-dependent binding pathways for the Omicron spike protein (Omicron S) and soluble angiotensin-converting enzyme 2 (sACE2): sequential and concurrent. Real-time kinetic analysis at the single–monomeric subunit level reveals that three S1 monomers of Omicron S exhibit a consistent and robust binding affinity toward sACE2 (−13.1 ± 0.2 kcal/mol). These results highlight the enhanced infectivity of Omicron S compared to other homologous spike proteins (WT S and Delta S). Notably, the preceding binding of sACE2 to Omicron S facilitates the subsequent binding steps, which was previously obscured in bulk measurements. Our single-molecule studies resolve the controversy over the disparity between the measured spike protein binding affinity with sACE2 and the viral infectivity, offering valuable insights for drug design and therapies.
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