Nature Communication：幾何組裝超穩定蛋白模板可用于制備納米材料

制備納米級材料的設備需要建筑模板用來將功能分子按設定好的位置安放。蛋白質支架由于其固有的分子識別和自組裝能力，結合基因編碼的功能，成為納米材料制備最有發展前景的模板。

然而，該方法的困難在于如何將蛋白質的四級結構改造為穩定且有序的模板。為了將絲狀蛋白組裝成幾何尺寸和對稱性都可控的模板，研究人員開發了一種超穩定生物分子工程裝備。

該方法可同時將設計蛋白質之間的交互作用與可調連接器蛋白質的產生結合起來，可調連接器蛋白質可控制絲狀蛋白質的組裝和投影角度。這些納米級結構的作用為，將納米顆粒整合到特定的位置和取向，從而來制備混合材料（如導電納米線）。這些新的結構構件促進了形狀多樣、各種加工條件下功能性納米材料的制備。

圖文導讀：

圖一：將工程纖維轉組裝為高階結構的結構和設計原則
圖1：(a) γ-PDF（γ-前折疊素）蛋白絲的掃面電鏡圖像 (比例尺： 100nm)。(b)圖展示了γ-PDF的亞基有兩個β-sheets、圖中以X1和X2表示，兩側區域有盤繞的螺旋線圈。(c) 圖為β-sheets區域將亞基組裝成長纖維的示意圖。(d)圖為將絲棒和連接器組裝成高階結構的設計和裝配示意圖。

圖二：γ-PDF蛋白絲的幾何組裝

圖2：(a)圖為雙向連接器，它由兩個TERM（一種加帽蛋白：耐高溫擴展變體）單體融合在一起而成。每個連接器都確定了蛋白絲之間的一個特定夾角。(b)圖為γ-PDF蛋白絲由連接器向兩個方向上進行了伸長。(c)圖：在連接器的接口處，由于TERM的X1 β-sheets的特定取向而形成了一個特定的夾角。(d)圖為由γ-PDF組成的雙向連接器組裝成自閉結構(e)或(f)8字形結構的掃描電鏡圖像(比例尺：100nm)。(g)為由折疊三聚體域TERM融合而成的三向連接器。 (h)為折疊TERM的三聚物，它由γ-PDF 組裝而成。(i) 沿著三聚物的TERM的β-sheets的接口處向外伸長而形成了風車結構。(j)三向連接器將三個γ-PDF蛋白絲組裝三個方向長度延伸一致的風車結構，圖為該結構的掃描電鏡圖片。(k)圖的掃描電鏡圖片將定位黃金納米顆粒(箭頭所指) 共價連接到連接器的c端（羧基端）半胱氨酸上證實了風車結構(比例尺：50 nm)。(l)使用高化學計量比的三向連接器使蛋白絲交互連接到彼此的γ-PDF 上(比例尺：200nm)。

圖三：控制連接器組裝的γ-PDF接口工程

圖3：(a) De novo蛋白質模型的TERM-(E-coil) 和TERM-(K-coil)的通過異質二聚體卷曲螺旋而連接在一起。(b)圖中的螺旋輪表示E3 / K3異質二聚體，圖為卷曲螺旋的橫截面 (三個字母氨基酸代碼)。螺旋間相互的的疏水作用(a-a’，b-b’)和靜電作用(g-e‘ ，e-g’)用箭頭標出。(c)圖顯示了TERM-(E-coil)（通道1） 和TERM-(K-coil)（通道2）單獨或混合在一起(通道3)的非變性凝膠電泳圖。通道4中為γ-PDF蛋白絲太大而不能在凝膠中通過;然而，當γ-PDF蛋白絲中混合TERM-(E-coil)（通道5） 或TERM-(K-coil)（通道6）后，蛋白絲受限，其伸長就受到抑制，從而產生不同纖維單元數量的蛋白絲。通道L為標準蛋白質。(d) 圖解釋了γ-PDF蛋白絲的長度受限于不同的TERM-(E-coil) 或者TERM-(K-coil)含量。 (e)圖展示了TERM-(E-coil)受限的蛋白絲通過異質二聚體連接在三向連接器的折疊TERM-(E-coil)的終端。(f)為由受限于TERM-(E-coil)的γ-PDF蛋白絲組裝成的折疊TERM- (K-coil)三向連接器。(g-h)圖為隨著折疊TERM-(E-coil)濃度的增加，封頂蛋白絲纖維之間的相互交聯作用可控地增加。

圖四：納米粒子在蛋白絲模板上的定位控制

圖4:(a)圖為金納米顆粒附著在γ-PDF子單元c端的原理圖(比例尺：200nm)。(b)和(c)圖分別為1.8 nm和5nm的鎳氮川三乙酸納米金（Ni-NTA-nanogold）附著排列在γ-PDF蛋白絲上的掃描電鏡圖片。(d)為在排列有鎳氮川三乙酸納米金的蛋白絲上再沉積上納米金顆粒而得到的連續納米金線的掃描電鏡圖像。(e)以1：50的比率，得到的統一長度的TERM-(E-coil)納米蛋白絲的掃描電鏡圖像。(f)為將TERM-(E-coil)封頂蛋白絲裝配在三向連接器上再排列上納米金顆粒就得到了可導電的納米結構。c-f圖，比例尺為100nm。(g)在電極間距之間搭建起橋梁的納米蛋白絲的掃描電鏡圖片(比例尺500nm)。(h) 圖為γ-PDF-Au納米線兩端的電流-電壓（I-V）曲線。(i)為隨著電壓的上升，電阻的變化曲線。

文獻鏈接：Geometrical assembly of ultrastable protein templates for nanomaterials