Nat. Chem.：對動力學納米多孔蛋白質組件熵驅動自由能圖景的調控

【引言】

蛋白質自組裝是在生命系統中形成功能材料和器件的主導方式，實驗室研究目前通常采用由下到上（bottom-up）的方式構建合成材料。對分子相互作用的基礎物理理解對于目標超分子構架的合理設計至關重要，同時，對于其結構動力學和環境相應的調控也發揮著重要作用。可預測性地切換不同的構象態，從頭設計和構建刺激響應性的蛋白質組件，至今在生物分子設計領域仍是一個必要且極具挑戰性的任務。

【成果簡介】

近日，美國加州大學圣迭戈分校的F. Akif Tezcan教授和Francesco Paesani教授（共同通訊作者）合作，在Nature Chemistry上發表了最新研究“Engineering the entropy-driven free-energy landscape of a dynamic nanoporous protein assembly”。此前，文章作者報道過通過二硫化物鍵合相互作用人工合成二維蛋白質晶格組件，在本文中，作者提出全部原子的分子動力學模擬，描繪這些晶格的自由能圖景，借助電子顯微技術進行大量結構表征，從而驗證這些圖景，提出自由能圖景主要是由溶劑重構熵控制的。隨后在靜電排斥相互作用條件下，對蛋白質表面的再設計，使得作者預測性地對自由能圖景增加擾動，得到一種新的蛋白質晶格，其構象動力學可在三種不同化學、機械性能和不同孔隙率和分子密度的狀態下相互切換。

【圖文導讀】

圖1：^C98RhuA晶體的結構特征。

(a) ^C98RhuA四聚體的表面特征，黑色標記為98位點，氧化后自組裝為多孔二維晶體的示意圖；

(b) ^C98RhuA晶格所得構象態的TEM圖像和草圖表示；

(c)從蛋白質中突出的“相互作用帶”的示意圖；

(d)實驗測量得到的參數E的計算以及推廣到ζ坐標的概況。

圖2：^C98RhuA晶格結構動力學的熱力學分析。

(a)在連續范圍的^C98RhuA晶格構象中，計算自由能圖景（上）和隨之產生的溶劑熵的變化（下）；

(b) 實驗測量得到的和PMF計算得到的^C98RhuA晶體的平衡構象概率直接比較。

圖3：晶格壓縮對孔內溶劑結構的影響。

(a)上圖為歸一化孔內水密度的2D圖，下圖為密度沿孔的二等分線一維分布圖，對數據進行定量解釋；

(b)近蛋白質表面溶劑分子的數分布。

圖4：^CEERhuA構型的設計和分析。

(a)^CEERhuA四聚體的表面形貌；

(b) ^CEERhuA晶格動力學的示意圖和設計的預期效果；

(c)RhuA晶格的TEM圖像；

(d) ^CEERhuA動力學的熱力學分析。

(e) ^CEERhuA構象在沉淀-再懸浮多輪循環期間的實驗分布。

圖5：^CEERhuA晶體的化學和力學切換行為。

(a)上圖：示意圖描述所有可能的^CEERhuA晶格切換模式，下圖：對應上圖狀態的實驗分布；

(b)RhuA晶體切換模式的總結。

【小結】

該工作呈現了完整描繪自由能圖景的合成蛋白質組件，經預測性調控可具有化學和力學相應結構切換行為。為此，設計的關鍵點在于使用強且可逆的彈性鍵合相互作用，組裝到2DRhuA晶格中。二硫鍵在蛋白質表面的小足跡不僅賦予RhuA晶格一個大范圍的構象自由度，還使得其它相互作用類型處于“巡游”態，預測性地改變自由能圖景，控制結構動力學。

文獻鏈接：Engineering the entropy-driven free-energy landscape of a dynamic nanoporous protein assembly（Nat. Chem.，2018，DOI：10.1038/s41557-018-0053-4）

本文由材料人計算材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

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