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    蛋白納米籠人工設計研究中取得進展

      近期,中國科學院武漢病毒研究所與合作單位從頭設計構建了一種氧氣通透性可調控的人工蛋白納米籠(protein nanocage,PNC)結構。相關成果發表在《美國國家科學院院刊》上。研究得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、國家重點研發計劃等項目的資助。

      PNC廣泛存在于生物界,是由蛋白質亞單位通過精確有序自組裝形成的籠形功能納米結構,類型多樣(如病毒衣殼、細菌微區室、鐵蛋白超家族),是蛋白、核酸、礦物質等生物活性分子儲存、遞送與代謝調節的關鍵載體,還能為細胞內特異性高效酶催化提供限域空間。從材料學的角度看,PNC具有可遺傳編碼、空間可尋址、可生物合成和易于功能化等優勢,為靶向診療、催化、mRNA遞送、納米光子學等應用提供了重要技術平臺注。在開發利用天然的PNC之外,從頭設計PNC一直是領域內科學家的方向。盡管已有一些成功的嘗試,但設計具有特定物質通透性的PNC仍然非常具有挑戰。

      藍藻羧酶體外殼是由多種蛋白組成的類似病毒衣殼的PNC,具有物質透過選擇性(碳酸氫根可透過而氧氣不可透過)。受此啟發,武漢病毒所等研究團隊以羧酶體頂點蛋白CcmL五聚體為構筑單元,結合前期病毒衣殼蛋白-無機納米顆粒雜合組裝的研究基礎,通過界面設計,以量子點為模板指導CcmL五聚體組裝形成了直徑12 nm的PNC。聯合使用固體核磁共振和冷凍電鏡技術解析其結構發現,該PNC為正二十面體對稱結構,具有高度保守的五聚體間相互作用界面,并觀測到蛋白與量子點的作用位點。這是國際上首次在蛋白-無機雜合組裝體中獲得原子分辨率的蛋白質結構。

      基于高分辨結構信息,研究團隊利用親和性的分子補丁封閉該PNC殼的孔洞,可逆地控制籠子的氧通透性,從而建立了一種門控機制,首次實現對特定分子具有可控通透性的PNC的人工設計。CcmL PNC有望用于氧氣敏感或響應性材料的存儲、催化、輸送、傳感等方面,對類羧酶體人工細胞器的設計也有借鑒意義。此外,該研究建立的兩種分別基于量子點和銥配合物的氧氣傳感策略也為相關生物學研究提供了新方法。

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