把功能蛋白质放在适当的位置

“几十年来，科学家们一直梦想着将蛋白质合理地组装成具有保留蛋白质功能的特定组织，”通讯作者奥列格·冈说，布鲁克海文实验室功能纳米材料中心(CFN)软纳米材料和生物纳米材料小组负责人，哥伦比亚工程学院化学工程、应用物理和材料科学教授。“我们基于dna的平台不仅在结构生物学方面有巨大的潜力，而且在各种生物工程、生物医学和生物材料应用方面也有巨大的潜力。”

这项工作的主要动机是建立一种合理的方式将蛋白质组织成设计的二维和三维结构，同时保持它们的功能。在蛋白质晶体学领域，组织蛋白质的重要性是众所周知的。对于这种技术，蛋白质从其固有的溶液环境中提取，并浓缩成原子的有序排列(晶体结构)，然后可以对其进行结构表征。然而，由于它们的灵活性和聚合特性，许多蛋白质很难结晶，需要反复试验。在结晶过程中，蛋白质的结构和功能可能发生变化，用传统方法结晶时，蛋白质可能失去功能。这种新方法为创造工程生物材料开辟了许多可能性，超出了结构生物学的目标。

第一作者Shih-Ting (Christine) Wang补充说:“制造生物活性蛋白晶格的能力与许多应用相关，包括组织工程、用于生化反应的多酶系统、用于精确医学的大规模蛋白质图谱以及合成生物学。”CFN软与生物纳米材料组博士后。

虽然DNA在存储我们的遗传信息方面的作用最为著名，但用于存储这种信息的相同的碱基对过程可以用来构建所需的纳米结构。一条DNA链的子单元,或核苷酸,其中有四种(以字母A、C、T和G),每个核苷酸都有互补的核苷酸吸引并结合(T)和C与G)当两个DNA链彼此接近。在DNA "折纸"技术中使用这个概念，科学家将合成DNA的多条短链与一条长链DNA混合。短链与长链结合，并根据碱基序列“折叠”成特定的形状，这是科学家可以指定的。

在这种情况下，科学家创造了八面体形状的DNA“折纸”。在这些笼子状的框架内，他们将具有特定“颜色”或编码序列的DNA链放置在目标位置(中心或偏离中心)。它们附着在蛋白质的表面——具体来说，储存和释放铁的铁蛋白，以及与之对应的无铁蛋白——上的互补DNA链。通过混合DNA笼子和共轭蛋白质，并加热混合物来促进反应，蛋白质到达内部指定的位置。他们还制造了空笼子，里面没有任何蛋白质。

为了将这些纳米级的构建模块，或蛋白质“体素”(包裹蛋白质的DNA笼子)连接在理想的2-D和3-D阵列中，第二作者、哥伦比亚大学的博士生Brian Minevich设计了不同颜色的体素外部键。有了这种配色方案，体素将以可编程、可控的方式相互识别，从而形成特定类型的蛋白质晶格。为了展示平台的多功能性，该团队构建了单层和双层2D阵列，以及3D阵列。

Gang解释说:“通过以特定的方式安排颜色，我们可以对不同格子的形成进行编程。”“我们完全可以控制设计和建造我们想要的蛋白质晶格结构。”

为了确认蛋白质已经被封装在笼子里，并且晶格已经按照设计的那样构建，研究小组转向了各种基于电子和x射线的成像和散射技术。这些技术包括CFN的电子显微镜(EM)成像;在布鲁克海文的国家同步加速器光源II (NSLS-II)复杂材料散射(CMS)和生命科学x射线散射(LiX)光束线的小角度x射线散射;以及劳伦斯伯克利分子铸造(MF)和城市大学高级科学研究中心的低温电子显微镜成像。CFN, NSLS-II和MF都是能源部科学用户设施办公室;CFN和MF是能源部五个纳米科学研究中心中的两个。

Gang说:“这项科学是由国家实验室系统内的三个用户设施和一个基于大学的设施的先进的合成和表征能力所支持的。”“如果没有这些设施和它们各自科学家的专业知识，这项研究是不可能的。”

在这些组装研究之后，他们调查了铁蛋白的生物活性。通过向铁蛋白晶格中添加还原剂，它们诱导铁离子从铁蛋白中心释放出来。

Minevich说:“通过监测铁释放过程中SAXS模式的演变，我们可以量化铁的释放量和释放速度，并确认在蛋白质操作过程中晶格的完整性得到了保持。”“根据我们的TEM研究，这些蛋白质仍然在框架内。”

“我们证明了这些蛋白质可以在保持我们创造的空间组织的同时，履行它们在生物环境中的相同功能，”王解释说。

接下来，该团队将把他们基于dna的平台应用于其他类型的蛋白质，目标是构建更复杂、可操作的蛋白质系统。

Gang说:“这项研究代表了重要的一步，它将真正的生物机械中不同的组件结合在一起，并将它们组织成理想的2d和3d结构，从而创建工程和生物活性材料。”“这是令人兴奋的，因为我们看到了制造理想功能生物纳米系统的合理途径，这是以前从未在自然界中产生过的。”

Journal Reference:
1.Shih-Ting Wang, Brian Minevich, Jianfang Liu, Honghu Zhang, Dmytro Nykypanchuk, James Byrnes, Wu Liu, Lev Bershadsky, Qun Liu, Tong Wang, Gang Ren, Oleg Gang. Designed and biologically active protein lattices. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-23966-4