纳米材料咋设计？蛋白质模块咋用？看这里就知道啦！
大家好，今天我们来了解一项关于蛋白质纳米材料设计的研究——《Blueprinting extendable nanomaterials with standardized protein blocks》发表于《Nature》。蛋白质结构复杂，其组装体的设计颇具挑战。但近期的研究取得了新突破，通过设计标准化的蛋白质模块，如线性、曲线和转角模块等，实现了纳米材料的可扩展性和规律性。这一成果为构建各种纳米结构提供了可能，如同搭建房屋框架般，具有简单且可编程的特点。接下来，我们将深入了解这一研究的具体内容和重要意义。
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一、引言
蛋白质纳米材料的设计在近年来取得了显著进展，但由于蛋白质结构的不规则性，设计复杂的多组分蛋白质组装体仍具有挑战性。本研究旨在开发一种具有简单性和可编程性的方法来设计可扩展的高阶蛋白质纳米材料。
二、设计原理
（一）构建标准化的蛋白质模块
为了实现这一目标，我们设计了一种名为扭直螺旋重复（THR）的蛋白质模块。这些模块由理想的 α 螺旋构成，具有线性、曲线和转角等不同形状，并且通过特定的非共价相互作用连接在一起。
（二）蓝图设计类似于构建房屋框架
就像用标准化的木建筑块构建房屋框架一样，我们可以通过简单地检查和组合这些蛋白质模块来构建新的纳米结构。此外，通过改变模块中单体的大小，可以缩放最终结构的尺寸，并且可以通过添加额外的支撑元素来增强结构。
三、实验内容与结果
（一）设计扭直螺旋重复
线性THR
实验设计：通过设置Δθ为零来生成直的线性 THR，分为Δh = 0和Δh≠0两种情况。
实验结果：测试了33种线性THR，其中23种可溶表达，13种通过尺寸排阻色谱（SEC）分析主要为单体。X射线晶体学和低温电镜（cryo-EM）结构表征表明，实现了设计的内部结构和整体直线几何形状，如THR1、THR2、THR3、THR5和THR6的骨架均方根偏差（RMSDs）较小，且连续重复的相对旋转接近零。对于Δh≠0的情况，如THR4的cryo-EM 结构与设计模型几乎相同。
转角模块
实验设计：通过设计额外的螺旋cₒ来生成转角模块，可产生360 /n的旋转，其中n为 3、4、5或6。
实验结果：n=3和n=4的设计通过负染电镜（ns-EM）2D类平均清晰地显示出设计的形状，n=5和n=6的设计在使用强化角后也获得了预期的多边形结构。
曲线 THR
实验设计：通过在重复元素之间引入相移（Δθ）来生成曲线THR，选择Δθ为360°的因数，以生成闭环。通过控制Δθ和重复之间的距离d来控制闭环的大小，使用每个重复单元包含四个螺旋来获取广泛的d参数值。
实验结果：设计了外径从9到22 nm的12、18、20和30重复的环，ns-EM表征显示这些环具有很少的缺陷或替代结构，二维类平均表明设计尺寸接近预期。例如，12重复环的溶剂暴露螺旋在环外清晰可见，18、20和30重复环形成了非常单分散的环状结构。
支撑结构测试
实验设计：构建同心环组件，例如将20重复环的2个重复单元与30重复环的3个重复单元组合，通过线性THR连接内环和外环。
实验结果：ns-EM二维类平均显示出两个环明显存在，如C₁₀同心环组件和C₆双组分环组件的cryo-EM重建与设计模型非常接近。
（二）可扩展纳米材料
可扩展循环组件
实验设计：将线性THR放置在特定位置，使循环组件可扩展，对于由转角模块或异二聚体构建的循环设计，添加或去除重复单元可改变寡聚体边缘的长度，而不影响单体间的界面。
实验结果：以C₄“正方形”（sC4）寡聚体为例，通过在线性THR部分插入额外的重复单元，cryo-EM 2D类平均显示出结构的扩展且螺旋仍保持与z轴对齐。
具有多面体纳米笼对称性的结构
实验设计：设计平面外相互作用，构建由曲线THR环和线性臂组成的纳米笼。使用12 重复的环（R12B）构建平面循环组件，根据多面体对称性将12重复分为3或4个亚基，并在每个亚基上融合线性THR臂，使其指向外并与径向向量平行。通过引入适当的C₂接口构建四面体（T₃）、八面体（O₃）、立方体（O₄）和二十面体（I₃）等结构。
实验结果：获得了13种纳米笼设计的合成基因，其中10种可溶表达，8种通过ns-EM 显示出预期的颗粒大小，7种具有与设计模型相似的2D类平均和对称3D重建。例如，立方笼（cage_O4_34）的7.5-Å cryo-EM重建和实验模型与设计模型非常接近，四面体笼（cage_T3_101）的4.0-Å cryo-EM重建也与设计模型相似。通过增加线性臂的重复单元数量，可实现立方设计在三维的扩展，不同尺寸的笼在 ns-EM 2D类平均和3D重建中均显示出预期的结构变化。
无界结构
实验设计：构建具有整体火车轨道形状的反平行组件，“铁轨” 为线性THR（uncapped），C₂“系带” 通过分支接口连接在铁轨两侧，将其组织成支撑的反平行对。通过在铁轨和系带上添加重复单元来改变轨道的间距和分离距离。
实验结果：对于四种组件大小的组合，ns-EM 2D类平均与设计模型一致。火车轨道组件对融合在铁轨末端和内部环的mScarlet-i和ties上的sfGFP具有稳健性。
四、讨论与展望
（一）未来发展方向
构建异二聚体和异三聚体界面，打破对称性，实现任意纳米结构的组装，获得更广泛的不对称纳米结构。
通过逐步固相组装和交联来克服自组装中组件增加导致的产率下降问题，基于简单几何草图设计更广泛的蛋白质纳米材料。
（二）应用前景
设计的生物矿化系统：THR单体可呈现出规则排列的羧酸盐基团，用于碳酸盐的矿化形成方解石，可扩展的THR系统可提供通往分级蛋白质-矿物杂化材料的途径。
参考文献：
Huddy TF, et al. Blueprinting extendable nanomaterials with standardized protein blocks. Nature. 2024 Mar;627(8005):898-904.