Nature | David Baker团队利用标准化蛋白模块实现“积木”式搭建纳米材料

撰文 | Sure

中国古代建筑多以木架为主要的结构，其特点是通过木质构件的榫和卯相吻合搭建成牢靠并具有弹性的框架，并且不需要使用一钉一铆。木制房屋的框架由许多种不同的木块组成，通过搭建可以组装成特定的样式。如果将蛋白设计成标准化的模块是否就可以通过搭积木的方式组建成各种各样的样式？这是一个非常大胆并富有想象力的想法，目前多组分蛋白质组装体的设计十分复杂，这主要是由于蛋白质结构的形状不规则导致的【1】。虽然，已经有研究通过对接或融合设计蛋白质单体或环状低聚物，在设计蛋白质纳米材料方面取得了可喜的进展【2-5】。但是，由于几乎所有蛋白质结构都不规则，因此具有两种局限性：（1）组成部件的形状一般都很复杂，因此无法根据简单的几何原理将它们组装成高阶结构；相反，需要进行大规模的抽样计算，以确定每种情况下的形状互补相互作用，而且无法保证能找到可设计的接口。（2）对于自然界中无数的蛋白质复合物来说，所设计的蛋白质组装体的大小无法轻易缩放；几乎不可能用现有的设计方法制造出更小或更大但在其他方面几乎完全相同的组装体。

近日，来自美国华盛顿大学的蛋白设计领域大牛David Baker课题组在Nature上发表了研究论文Blueprinting extendable nanomaterials with standardized protein blocks。在本研究中，作者描述了符合特定几何标准的线性、弯曲和倾斜角度的蛋白质构件，以及构件之间的相互作用；使用这些构件设计的组件具有可扩展性和规则的相互作用面，使它们能够通过改变模块数量进行扩展或收缩，并通过辅助支柱进行加固，实现了可交互的从蛋白质纳米材料设计到搭建的全过程。值得一提的是，该课题组近期在预印本期刊bioRxiv上提交了一篇题为Atomically accurate de novo design of single-domain antibodies的研究论文，他们实现了从原子水平上精确的从头设计抗体可变重链区，这种颠覆性设计方法甚至可以彻底改变整个生物学和医学领域的研究。

α-螺旋卷曲螺旋是一种非常可靠的蛋白结构，在单一维度上只需改变链的长度就能加长或缩短蛋白质，这种可拓展性和可设计性使其成为设计蛋白材料的最常用组成部分。在本研究中，作者致力于开发一种通用方法，利用卷曲螺旋的简易性和可编程性设计模块化的高阶蛋白质纳米材料。作者想要设计出一种模块化、规则的构件和可交互的工具包，主要由线性构件组成：（1）重复序列元件在添加额外的元件时不发生扭曲变形；（2）用不同半径的圆弧勾勒出曲线积木；（3）将两个构件通过非共价排列保持在预先设计的方向上，从而类似于绘制房屋框架蓝图一样搭建出新的纳米结构（图1）。这种设计方法的一大特点是可以通过简单的改变构件大小来调整最终结构的尺寸，甚至可以通过放置额外的支撑元件来加固结构。

图1. 蛋白质模块和相互作用模式示意图。

为了实现作者设想的这些特性，他们设计了一系列由对齐的螺旋轴组成的构件，通过完全相同的直线α-螺旋构建无扭曲重复 （THR） 蛋白质模块，只改变重复单元的数量就能改变模块的长短，THR的构造可实现模块化纳米材料设计。在完成不同THR蛋白质模块的设计后，作者利用大肠杆菌表达了这些模块，通过X射线晶体学和冷冻电镜对线性结构单元进行结构鉴定，发现成功的实现了详细的内部结构和整体的直线几何形状。此外，改变xy平面上的位移距离 （d） 、z轴方向上的位移变化 （△h） 以及螺旋相位 （Δθ） 的变化可以改变整个重复蛋白的轨迹，从而生成曲线轨迹用于构建复杂纳米材料结构。该方法砌块原理简单，还可以利用刚性连接不同结构元素的支柱对设计材料进行加固。

根据THR蛋白质模块的设计理念，只需要改变螺旋卷曲的重复次数就可以规则性扩大或缩小纳米材料的设计尺寸。并且为了实现三维结构的搭建，作者设计了构件之间的平面外相互作用。以纳米笼为例，构成笼面的扁平环状成分通过非共价handshake相互作用以指定角度连接起来，角度的设定决定了纳米笼由几个面组成，增加线性模块中重复单元的数量决定了纳米笼的扩展性。最后，作者设计的THR蛋白质模块还可以用于构建无界架构，他们用THR模块搭建了一个整体呈火车轨道形状的反平行组件。

总的来说，这篇文章设计了由α-螺旋为基础结构组成的THR蛋白质模块，改变重复螺旋的数量、xy平面上的位移距离（d）、z轴方向上的位移变化（△h）以及螺旋相位（Δθ）可以实现随心所欲的模块设计，从而搭建任意的纳米材料。该方法完全颠覆了人们对蛋白质结构复杂性的理解，利用简单的和可编程性的蛋白质模块实现了绘制蛋白质纳米材料的蓝图。

参考文献

1. Berman, H. M. et al. The Protein Data Bank.Nucleic Acids Res.28, 235–242 (2000).

2. Thomson, A. R. et al. Computational design of water-soluble α-helical barrels.Science346, 485–488 (2014).

3. Ljubetič, A. et al. Design of coiled-coil protein-origami cages that self-assemble in vitro and in vivo.Nat. Biotechnol.35, 1094–1101 (2017).

4. Bethel, N. P. et al. Precisely patterned nanofibres made from extendable protein multiplexes.Nat. Chem.15, 1664–1671 (2023).

5. Ben-Sasson, A.J. et al. Design of biologically active binary protein 2D materials.Nature589, 468–473 (2021).

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07188-4