江苏激光联盟导读：

蛋白质组装体可以设计用于开发纳米生物材料。这是通过调节蛋白质间相互作用来实现的。然而，制造高度有序的蛋白质组装体仍然具有挑战性。来自日本东京工业大学的研究人员描述了通过工程化蛋白质晶体中的共价和非共价相互作用来构建超分子长丝结构。

蛋白质组件，例如笼、环、细丝和薄片，具有与超分子结构相关的许多独特功能。这种组件是通过调节蛋白质与蛋白质的相互作用而人工制造的，例如金属配位、大环介导、共价和 非共价相互作用。蛋白质执行的许多功能（在我们眼中）将生命与无生命的物质区分开。多分子蛋白质装配体甚至具有大规模的结构功能，如动物的羽毛、头发和鳞片所证明的。毫不奇怪，随着先进纳米技术和生物工程技术的进步，人造蛋白质组装已在包括催化、分子存储和药物递送系统在内的多个领域中得到了应用。然而，制造高度有序的蛋白质装配体仍具有挑战性。

要使单体（蛋白质的组成部分）稳定地组装成所需的结构是特别困难的。这通常需要非常精确的设计和控制合成条件，例如pH（酸度）和温度。最近的研究发现了通过使用蛋白质晶体（某些生物中自然发生的固体分子排列）作为产生蛋白质组装体的前体基质来解决此问题的方法。

来自日本东京工业大学Takafumi Ueno教授领导的科学家团队一直在研究一种有前途的从蛋白质晶体合成蛋白质组装体的方法。他们的策略涉及将突变引入自然产生蛋白质晶体的生物的遗传密码中。这些突变导致二硫键（S-S）在晶体中非常特定的位置的单体之间形成。然后将晶体溶解，但是不是像往常一样完全分解成它们的单个单体，而是新引入的S-S键将单体基团保持在一起，并且晶体分裂成许多所需的蛋白质装配体。通过这种方法，Takafumi Ueno的团队已成功地通过将活细胞用作纳米3D打印机来合成蛋白质的笼子和试管。

在他们发表于Angewandte Chemie国际版的最新研究中，研究小组展示了他们新颖策略的另一种应用。这次用于捆绑蛋白丝的合成。他们使用了一种感染了一种病毒的昆虫细胞 (Spodoptera frugiperda) 培养物，这种病毒导致一种称为“ TbCatB”的单体过度表达。这些单体在细胞内自然聚集为蛋白质晶体，蛋白质晶体通过单体之间相对较弱的非共价相互作用而保持在一起。科学家从战略上在细胞中引入了两个突变，这样每个单体在与其他单体的关键界面点上都具有两个半胱氨酸的巯基（-SH）。

▲图1. (a). Sf9的昆虫细胞产生了TbCatB晶体。(b). 重组TbCatB晶体的扫描电子显微照片。(c). 通过蛋白质晶体中自发的二硫键形成和晶体的溶解来表示超分子蛋白质束缚的细丝的构造。使用透射电子显微镜观察到成束的细丝。

▲图2. Sf9昆虫细胞中的TbCatB晶体和 (a) WT-TbCatB，(b) 1-TbCatB，(c) 2-TbCatB晶体的FE-SEM图像

从细胞中提取晶体并使其在室温下氧化，这导致硫醇基团在空气中通过自氧化沿单个方向相邻的单体之间变为牢固的S-S键。当晶体溶解时，这些二硫键以及一些缠绵的非共价相互作用导致形成捆绑的蛋白丝，该蛋白丝为两个单体宽（约8.3纳米）。Takafumi Ueno表示通过该策略实现了蛋白质分子的高度精确排列，同时抑制了由于不需要的硫键而导致的单体无规聚集，所有这些操作都相对简单易行。

▲图3. 从活细胞中分离出晶体后，通过半胱氨酰硫醇的氧化应激反应，从晶体中产生了成束的细丝。该方法将被认为是纳米生物材料科学和超分子化学中有用的进展，作为使用蛋白质晶体构建可持续装配的合成方法。

▲图4. (a). 从1-TbCatB晶体中溶解而未添加任何氧化剂的成束细丝的TEM图。(b). 根据(a)的图像计算出的长度分布。(c). 从1-TbCatB晶体中溶解的成束细丝的放大图像。(d). the束状细丝的宽度和单体之间的距离的直方图。(e). 1-TbCatB晶体中的束状灯丝。(f). the单丝之间的分子间相互作用。

总体而言，Tokyo Tech团队证明的方法是通过合理的基因工程和使用某些生物体细胞天然可用的工具合成蛋白质结构的创新方法。Takafumi Ueno总结说：“我们认为我们的合成方法在纳米生物材料科学和超分子化学中是有用的进步，可以从蛋白质晶体生产出所需的稳定组装体。”只有时间会证明使用该策略还能产生其他有用的分子结构，以及它们会发现哪些有趣的应用。这种方法将被认为是纳米生物材料科学和超分子化学的一个有用的进展，作为一种利用蛋白质晶体构建可持续组装的合成方法。

本文为江苏省激光产业技术创新战略联盟原创作品，如需转载请标明来源，谢谢合作支持！原文以“Design of an In‐Cell Protein Crystal for the Environmentally Responsive Construction of a Supramolecular Filament”发表在Angewandte Chemie International Edition上。