中科院蘇州納米所王強斌團隊Nano Lett.：具有可調結構的蛋白質晶體的非共價自組裝

木文韜 3年前 (2021-02-27) 2197瀏覽

【引言】

操控納米級構筑基元組裝成高度有序的晶體結構已經吸引了大量的研究興趣。通過優化無機納米顆粒的類型、尺寸、晶格參數和晶體對稱性，可以在熱力學或動力學上調控其自組裝過程，進而獲得一元、二元和三元的晶體結構。源于高度有序排列所產生的新興特性和多樣的化學功能，這些自組裝結構在催化、磁學、光學和功能生物材料等領域具有廣泛的應用前景。以功能蛋白為基元結構精確構建結構可調的周期陣列是一個非常有趣的研究方向，然而，蛋白質表面的化學和結構復雜性，特別是對于非球形蛋白質模塊而言，如何將各向異性的蛋白質基元可控組裝成具有可調結構特性的蛋白質晶體仍然是一個主要挑戰。

【成果簡介】

近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所王強斌研究員團隊利用一種各向異性的L-鼠李樹膠糖-1-磷酸醛縮酶 (RhuA)作為構筑基元，通過在蛋白質三維（3D）空間位點引入組氨酸殘基并且精確調控其相互作用，成功實現了將各向異性的非球形RhuA蛋白質自組裝成高度有序的、具有不同形態和結構的蛋白質晶體。基于組氨酸的π -π作用，通過熱力學調控RhuA的自組裝過程，獲得了3D納米帶和3D四方相晶體結構；通過引入強的金屬離子-組氨酸螯合作用，從動力學上調控了RhuA自組裝成3D四方相晶體結構。此外，通過在RhuA模塊表面上設計另一種組氨酸的排布，進一步構建了RhuA蛋白質雙螺旋3D超結構。利用熒光顯微鏡、透射電子顯微鏡?(TEM)、原子力顯微鏡(AFM) 和小角度X射線散射?(SAXS) 測定了它們的結構性質和動態組裝性質。這項工作旨在拓展可調控、高度有序的蛋白質超結構可編程的工具盒，并且有助于蛋白質界面相互作用機制的理解。該成果以題為“Noncovalent Self-Assembly of Protein Crystals with Tunable Structures”發表在了Nano Lett.上。

【圖文導讀】

圖1. 3D納米帶、3D蛋白質晶體和雙螺旋蛋白質超結構形成的示意圖

(A)?設計H47RhuA-C(2H)?變體，在非共價相互作用的介導下自組裝形成3D納米帶和兩種類型3D晶體結構。

(B)設計H47/H157RhuA-C(2H)-N(2H)?變體，在非共價相互作用介導下自組裝形成雙螺旋3D超結構。

圖2. H47RhuA-C(2H)四聚體的設計及蛋白自組裝成3D納米帶

(A)D47RhuA四聚體卡通圖。

(B)H47RhuA-C(2H)?四聚體卡通圖。

(C)3D納米帶組裝過程卡通圖。其中(C1-C3) 鄰近的H47RhuA-C(2H)?四聚體間H47、C(2H)間非共價相互作用導致了3D納米帶的形成。

(D)?熒光探針硫黃素-T負染的3D納米帶的熒光圖。

(E，F)?3D納米帶的低倍和高倍的TEM圖像。

(G)?3D納米帶直徑統計。數據顯示為平均值±SD?(n = 50)。

(H)?3D納米帶的AFM圖像。插圖顯示了沿白色箭頭的輪廓。

(I)?3D納米帶的組裝結構示意圖。

(J)?3D納米帶的SAXS結果。

圖3 H47RhuA-C(2H)蛋白通過非共價相互作用自組裝成3D晶體

(A)3D晶體的熒光照片。

(A1)?3D晶體的低倍視圖和 (A2)?高倍視圖。

(A3) 3D晶體的高分辨率TEM圖像；比例尺：5 nm。

(A4) 3D晶體的傅立葉數據。

(B)?3D晶體的AFM圖像。插圖顯示了沿白色箭頭的輪廓。

(C)?組裝和再組裝的3D晶體的SAXS結果。

(D)?H47RhuA-C(2H)?蛋白自組裝成3D晶體的示意圖。

(E)?pH 2.8處理的3D晶體的熒光圖和 (E1-E2)?TEM圖像。

(F)?再組裝3D晶體的熒光圖。

(F1)?再組裝3D晶體的低倍視圖和 (F2)?高倍視圖。

(F3)?再組裝3D晶體的高分辨率TEM圖像；比例尺：5 nm。

(F4)?再組裝3D晶體的傅立葉數據。

(G)?再組裝3D晶體的AFM圖像。插圖顯示了沿白色箭頭的輪廓。

圖4 Zn2+誘導H47RhuA-C(2H)自組裝成3D晶體

(A)?Zn2+誘導的3D H47RhuA-C(2H) 晶體結構示意圖。

(B)?Zn2+誘導的3D H47RhuA-C(2H) 晶體的熒光照片。

(B1, B2) Zn2+誘導的3D H47RhuA-C(2H) 晶體的低、高倍TEM圖像。?

(C)?Zn2+誘導的3D H47RhuA-C(2H) 晶體的AFM圖像。插圖顯示了沿白色箭頭的輪廓。

(D)?Zn2+誘導的組裝和再組裝3D H47RhuA-C(2H)晶體的SAXS結果。

(E)?10?mM EDTA處理后的3D晶體的熒光圖和?(E1, E2) TEM圖像。

(F)?再組裝3D晶體的AFM圖像。插圖顯示了沿白色箭頭的輪廓。

(G)?再組裝3D晶體的熒光圖。

(G1, G2) 再組裝3D晶體的低、高倍TEM圖像。

圖5?H47/H157RhuA-C(2H)-N(2H)四聚體的設計及蛋白的自組裝成雙螺旋超結構

(A)D47RhuA四聚體卡通圖。

(B) H47/H157RhuA-C(2H)-N(2H)?四聚體卡通圖。

(C) H47/H157RhuA-C(2H)-N(2H)?組裝成單個納米線的卡通圖。

(D-F)?鄰近的H47/H157RhuA-C(2H)-N(2H)?四聚體間H47/C(2H)和H157/N(2H)的非共價相互作用導致了雙螺旋超結構的形成。

(G)?左手雙螺旋超結構的示意圖。

(H-K) 左手雙螺旋超結構的低、高倍TEM圖像。

(L)?雙螺旋超結構螺距統計結果。數據顯示為平均值±SD (n = 50)。

【小結】

綜上所述，該團隊報道了通過利用RhuA蛋白的晶體結構，理性設計和改造其表面的功能位點，成功實現了各向異性蛋白質基元的精確、可控自組裝；并且改變外部條件，調控組裝過程的作用力，實現了蛋白質晶體結構應對環境刺激的動態響應。在該研究中，一個關鍵的設計因素是引入組氨酸的π-π作用，賦予了組裝晶體結構的靈活性和動態性，在此基礎上，選擇性調控其他類型的相互作用力，進而實現了更加豐富的自組裝結構，包括3D納米帶、兩種類型的3D晶體和雙螺旋超結構。正如我們研究所展示的，通過深入理解蛋白質三維結構和理性設計蛋白質之間的相互作用力，將可以實現獲得高度有序的蛋白質晶體以及對其組裝過程進行動態調控。這種控制和調控RhuA晶體的結構性質和動態性的獨特能力將為自適應分子材料的制造提供重要啟示。

【團隊介紹】

王強斌課題組自2008年成立以來，主要聚焦新型無機半導體近紅外二區熒光量子點及其轉化醫學研究和生物大分子（DNA和蛋白質）指導的納米結構精確自組裝研究，在近紅外二區熒光量子點方面：首先提出和發展了一種新型的近紅外二區熒光Ag2S量子點體系及其合成技術，在此基礎上合成了一系列窄帶隙的半導體量子點，尤其是近期發展的陽離子摻雜技術，顯著提高銀基窄帶隙半導體量子點的量子效率；“從無到有”自主開發了一系列近紅外二區正置/倒置熒光顯微鏡、熒光共聚焦顯微鏡、小動物活體成像設備，為近紅外二區熒光研究提供了微觀、介觀和宏觀的跨尺度成像技術平臺；發展了基于近紅外二區熒光Ag2S量子點的活體影像技術，實現了在小動物活體水平原位、實時、高靈敏度和高信噪比的精準醫學研究。在自組裝研究方面：利用DNA和蛋白質生物分子的可設計特性，從化學的角度精準構筑了一系列新型的自組裝納米結構，實現了在目標納米結構中可控調變構筑基元的三維空間排布，并對其新穎的理化性質進行了深入研究。王強斌研究員課題組發表論文120余篇包括J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.,?Adv. Mater.,?Nano Lett.等國際知名期刊，申請專利40余項，國際專利5項。主要研究成果獲2017年度江蘇省科學技術一等獎。

文獻鏈接：Noncovalent Self-Assembly of Protein Crystals with Tunable Structures（Nano Lett.,?2021，DOI:10.1021/acs.nanolett.0c04587）

【團隊在該領域工作匯總】

  1. Mingming Du, Kun Zhou, Runze Yu, Yufeng Zhai, Gang Chen,Qiangbin Wang*. Noncovalent Self-Assembly of Protein Crystals with Tunable Structures.?Nano Lett., 2021, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04587.
  2. Kun Zhou+, Yihao Zhou+, Hongchao Yang, Huile Jin, Yonggang Ke*, Qiangbin Wang*. Interfacially Bridging Covalent Network Yields Hyperstable and Ultralong Virus-based Fibers for Engineering Functional Materials. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 18249-18255.
  3. Jinyi Dong+, Meng Wang+, Yihao Zhou,Chao Zhou*,?Qiangbin Wang*. DNA-Based Adaptive Plasmonic Logic Gates.? Chem. Int. Ed.,?2020, 59, 15038-15042.
  4. Kun Zhou, Yihao Zhou, Victor Pan,Qiangbin Wang*, Yonggang Ke*. Programming Dynamic Assembly of Viral Proteins with DNA Origami.? Am. Chem. Soc., 2020, 142, 5929-5932.
  5. Mingming Du, Kun Zhou*, Xiao Wang, Jianting Zhang, Yejun Zhang, Jinchen Dong, Longlong Wu, Zhi Qiao, Gang Chen*, Qiangbin Wang*. Precise Fabrication of De Novo Nanoparticle Lattices on Dynamic 2D Protein Crystalline Lattices.Nano Lett., 2020, 20, 1154-1160.
  6. Jianting Zhang, Kun Zhou, Yejun Zhang, Mingming Du,Qiangbin Wang*. Precise Self-Assembly of Nanoparticles into Ordered Nanoarchitectures Directed by Tobacco Mosaic Virus Coat Protein.? Mater.,?2019, 31,?1901485.
  7. Kun Zhou, Yonggang Ke, Qiangbin Wang*. Selective in Situ Assembly of Viral Protein onto DNA Origami. Am. Chem. Soc.,?2018, 140, 8074-8077.
  8. Chenqi Shen, Xiang Lan, Chenggan Zhu, Wei Zhang, Leyu Wang*,?Qiangbin Wang*. Spiral Patterning of Au Nanoparticles on Au Nanorod Surface to Form Chiral AuNR@AuNP Helical Superstructures Templated by DNA Origami.?Adv. Mater.,?2017,?29, 1606533.
  9. Chenqi Shen, Xiang Lan, Xuxing Lu, Travis A. Meyer, Weihai Ni, Yonggang Ke*,?Qiangbin Wang*. Site-Specific Surface Functionalization of Gold Nanorods Using DNA Origami Clamps. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 1764-1767.
  10. Xiang Lan, Xuxing Lu, Chenqi Shen, Yonggang Ke, Weihai Ni,?Qiangbin Wang*.Au Nanorod Helical Superstructures with Designed Chirality.?J. Am. Chem. Soc.,?2015, 137, 457-462.

【相關優質文獻推薦】

  1. Mingming Du, Kun Zhou*, Xiao Wang, Jianting Zhang, Yejun Zhang, Jinchen Dong, Longlong Wu, Zhi Qiao, Gang Chen*, Qiangbin Wang*. Precise Fabrication of De Novo Nanoparticle Lattices on Dynamic 2D Protein Crystalline Lattices.Nano Lett., 2020, 20, 1154-1160.
  2. Jianting Zhang, Kun Zhou, Yejun Zhang, Mingming Du,Qiangbin Wang*. Precise Self-Assembly of Nanoparticles into Ordered Nanoarchitectures Directed by Tobacco Mosaic Virus Coat Protein.? Mater.,?2019, 31,?1901485.
  3. Kun Zhou, Yonggang Ke, Qiangbin Wang*. Selective in Situ Assembly of Viral Protein onto DNA Origami. Am. Chem. Soc.,?2018, 140, 8074-8077.
  4. Chenqi Shen, Xiang Lan, Chenggan Zhu, Wei Zhang, Leyu Wang*,?Qiangbin Wang*. Spiral Patterning of Au Nanoparticles on Au Nanorod Surface to Form Chiral AuNR@AuNP Helical Superstructures Templated by DNA Origami.?Adv. Mater.,?2017,?29, 1606533.
  5. Chenqi Shen, Xiang Lan, Xuxing Lu, Travis A. Meyer, Weihai Ni, Yonggang Ke*,?Qiangbin Wang*. Site-Specific Surface Functionalization of Gold Nanorods Using DNA Origami Clamps. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 1764-1767.
  6. Xiang Lan, Xuxing Lu, Chenqi Shen, Yonggang Ke, Weihai Ni,?Qiangbin Wang*.Au Nanorod Helical Superstructures with Designed Chirality.?J. Am. Chem. Soc.,?2015, 137, 457-462.

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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