中科院苏州纳米所王强斌团队Nano Lett.：具有可调结构的蛋白质晶体的非共价自组装

【引言】

操控纳米级构筑基元组装成高度有序的晶体结构已经吸引了大量的研究兴趣。通过优化无机纳米颗粒的类型、尺寸、晶格参数和晶体对称性，可以在热力学或动力学上调控其自组装过程，进而获得一元、二元和三元的晶体结构。源于高度有序排列所产生的新兴特性和多样的化学功能，这些自组装结构在催化、磁学、光学和功能生物材料等领域具有广泛的应用前景。以功能蛋白为基元结构精确构建结构可调的周期阵列是一个非常有趣的研究方向，然而，蛋白质表面的化学和结构复杂性，特别是对于非球形蛋白质模块而言，如何将各向异性的蛋白质基元可控组装成具有可调结构特性的蛋白质晶体仍然是一个主要挑战。

【成果简介】

近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王强斌研究员团队利用一种各向异性的L-鼠李树胶糖-1-磷酸醛缩酶 (RhuA)作为构筑基元，通过在蛋白质三维（3D）空间位点引入组氨酸残基并且精确调控其相互作用，成功实现了将各向异性的非球形RhuA蛋白质自组装成高度有序的、具有不同形态和结构的蛋白质晶体。基于组氨酸的π -π作用，通过热力学调控RhuA的自组装过程，获得了3D纳米带和3D四方相晶体结构；通过引入强的金属离子-组氨酸螯合作用，从动力学上调控了RhuA自组装成3D四方相晶体结构。此外，通过在RhuA模块表面上设计另一种组氨酸的排布，进一步构建了RhuA蛋白质双螺旋3D超结构。利用荧光显微镜、透射电子显微镜 (TEM)、原子力显微镜(AFM) 和小角度X射线散射 (SAXS) 测定了它们的结构性质和动态组装性质。这项工作旨在拓展可调控、高度有序的蛋白质超结构可编程的工具盒，并且有助于蛋白质界面相互作用机制的理解。该成果以题为“Noncovalent Self-Assembly of Protein Crystals with Tunable Structures”发表在了Nano Lett.上。

【图文导读】

图1. 3D纳米带、3D蛋白质晶体和双螺旋蛋白质超结构形成的示意图

(A) 设计^H47RhuA-C(2H) 变体，在非共价相互作用的介导下自组装形成3D纳米带和两种类型3D晶体结构。

(B)设计^H47/H157RhuA-C(2H)-N(2H) 变体，在非共价相互作用介导下自组装形成双螺旋3D超结构。

图2. ^H47RhuA-C(2H)四聚体的设计及蛋白自组装成3D纳米带

(A)^D47RhuA四聚体卡通图。

(B)^H47RhuA-C(2H) 四聚体卡通图。

(C)3D纳米带组装过程卡通图。其中(C1-C3) 邻近的^H47RhuA-C(2H) 四聚体间H47、C(2H)间非共价相互作用导致了3D纳米带的形成。

(D) 荧光探针硫黄素-T负染的3D纳米带的荧光图。

(E，F) 3D纳米带的低倍和高倍的TEM图像。

(G) 3D纳米带直径统计。数据显示为平均值±SD (n = 50)。

(H) 3D纳米带的AFM图像。插图显示了沿白色箭头的轮廓。

(I) 3D纳米带的组装结构示意图。

(J) 3D纳米带的SAXS结果。

图3 ^H47RhuA-C(2H)蛋白通过非共价相互作用自组装成3D晶体

(A)3D晶体的荧光照片。

(A1) 3D晶体的低倍视图和 (A2) 高倍视图。

(A3) 3D晶体的高分辨率TEM图像；比例尺：5 nm。

(A4) 3D晶体的傅立叶数据。

(B) 3D晶体的AFM图像。插图显示了沿白色箭头的轮廓。

(C) 组装和再组装的3D晶体的SAXS结果。

(D) ^H47RhuA-C(2H) 蛋白自组装成3D晶体的示意图。

(E) pH 2.8处理的3D晶体的荧光图和 (E1-E2) TEM图像。

(F) 再组装3D晶体的荧光图。

(F1) 再组装3D晶体的低倍视图和 (F2) 高倍视图。

(F3) 再组装3D晶体的高分辨率TEM图像；比例尺：5 nm。

(F4) 再组装3D晶体的傅立叶数据。

(G) 再组装3D晶体的AFM图像。插图显示了沿白色箭头的轮廓。

图4 Zn²⁺诱导^H47RhuA-C(2H)自组装成3D晶体

(A) Zn²⁺诱导的3D ^H47RhuA-C(2H) 晶体结构示意图。

(B) Zn²⁺诱导的3D ^H47RhuA-C(2H) 晶体的荧光照片。

(B1, B2) Zn²⁺诱导的3D ^H47RhuA-C(2H) 晶体的低、高倍TEM图像。 

(C) Zn²⁺诱导的3D ^H47RhuA-C(2H) 晶体的AFM图像。插图显示了沿白色箭头的轮廓。

(D) Zn²⁺诱导的组装和再组装3D ^H47RhuA-C(2H)晶体的SAXS结果。

(E) 10 mM EDTA处理后的3D晶体的荧光图和 (E1, E2) TEM图像。

(F) 再组装3D晶体的AFM图像。插图显示了沿白色箭头的轮廓。

(G) 再组装3D晶体的荧光图。

(G1, G2) 再组装3D晶体的低、高倍TEM图像。

图5 ^H47/H157RhuA-C(2H)-N(2H)四聚体的设计及蛋白的自组装成双螺旋超结构

(A)^D47RhuA四聚体卡通图。

(B) ^H47/H157RhuA-C(2H)-N(2H) 四聚体卡通图。

(C) ^H47/H157RhuA-C(2H)-N(2H) 组装成单个纳米线的卡通图。

(D-F) 邻近的^H47/H157RhuA-C(2H)-N(2H) 四聚体间H47/C(2H)和H157/N(2H)的非共价相互作用导致了双螺旋超结构的形成。

(G) 左手双螺旋超结构的示意图。

(H-K) 左手双螺旋超结构的低、高倍TEM图像。

(L) 双螺旋超结构螺距统计结果。数据显示为平均值±SD (n = 50)。

【小结】

综上所述，该团队报道了通过利用RhuA蛋白的晶体结构，理性设计和改造其表面的功能位点，成功实现了各向异性蛋白质基元的精确、可控自组装；并且改变外部条件，调控组装过程的作用力，实现了蛋白质晶体结构应对环境刺激的动态响应。在该研究中，一个关键的设计因素是引入组氨酸的π-π作用，赋予了组装晶体结构的灵活性和动态性，在此基础上，选择性调控其他类型的相互作用力，进而实现了更加丰富的自组装结构，包括3D纳米带、两种类型的3D晶体和双螺旋超结构。正如我们研究所展示的，通过深入理解蛋白质三维结构和理性设计蛋白质之间的相互作用力，将可以实现获得高度有序的蛋白质晶体以及对其组装过程进行动态调控。这种控制和调控RhuA晶体的结构性质和动态性的独特能力将为自适应分子材料的制造提供重要启示。

【团队介绍】

王强斌课题组自2008年成立以来，主要聚焦新型无机半导体近红外二区荧光量子点及其转化医学研究和生物大分子（DNA和蛋白质）指导的纳米结构精确自组装研究，在近红外二区荧光量子点方面：首先提出和发展了一种新型的近红外二区荧光Ag₂S量子点体系及其合成技术，在此基础上合成了一系列窄带隙的半导体量子点，尤其是近期发展的阳离子掺杂技术，显著提高银基窄带隙半导体量子点的量子效率；“从无到有”自主开发了一系列近红外二区正置/倒置荧光显微镜、荧光共聚焦显微镜、小动物活体成像设备，为近红外二区荧光研究提供了微观、介观和宏观的跨尺度成像技术平台；发展了基于近红外二区荧光Ag₂S量子点的活体影像技术，实现了在小动物活体水平原位、实时、高灵敏度和高信噪比的精准医学研究。在自组装研究方面：利用DNA和蛋白质生物分子的可设计特性，从化学的角度精准构筑了一系列新型的自组装纳米结构，实现了在目标纳米结构中可控调变构筑基元的三维空间排布，并对其新颖的理化性质进行了深入研究。王强斌研究员课题组发表论文120余篇包括J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nano Lett.等国际知名期刊，申请专利40余项，国际专利5项。主要研究成果获2017年度江苏省科学技术一等奖。

文献链接：Noncovalent Self-Assembly of Protein Crystals with Tunable Structures（Nano Lett., 2021，DOI:10.1021/acs.nanolett.0c04587）

【团队在该领域工作汇总】

1. Mingming Du, Kun Zhou, Runze Yu, Yufeng Zhai, Gang Chen,Qiangbin Wang*. Noncovalent Self-Assembly of Protein Crystals with Tunable Structures. Nano Lett., 2021, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04587.
2. Kun Zhou⁺, Yihao Zhou⁺, Hongchao Yang, Huile Jin, Yonggang Ke*, Qiangbin Wang*. Interfacially Bridging Covalent Network Yields Hyperstable and Ultralong Virus-based Fibers for Engineering Functional Materials. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 18249-18255.
3. Jinyi Dong⁺, Meng Wang⁺, Yihao Zhou,Chao Zhou*, Qiangbin Wang*. DNA-Based Adaptive Plasmonic Logic Gates.  Chem. Int. Ed., 2020, 59, 15038-15042.
4. Kun Zhou, Yihao Zhou, Victor Pan,Qiangbin Wang*, Yonggang Ke*. Programming Dynamic Assembly of Viral Proteins with DNA Origami.  Am. Chem. Soc., 2020, 142, 5929-5932.
5. Mingming Du, Kun Zhou*, Xiao Wang, Jianting Zhang, Yejun Zhang, Jinchen Dong, Longlong Wu, Zhi Qiao, Gang Chen*, Qiangbin Wang*. Precise Fabrication of De Novo Nanoparticle Lattices on Dynamic 2D Protein Crystalline Lattices.Nano Lett., 2020, 20, 1154-1160.
6. Jianting Zhang, Kun Zhou, Yejun Zhang, Mingming Du,Qiangbin Wang*. Precise Self-Assembly of Nanoparticles into Ordered Nanoarchitectures Directed by Tobacco Mosaic Virus Coat Protein.  Mater., 2019, 31, 1901485.
7. Kun Zhou, Yonggang Ke, Qiangbin Wang*. Selective in Situ Assembly of Viral Protein onto DNA Origami. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 8074-8077.
8. Chenqi Shen, Xiang Lan, Chenggan Zhu, Wei Zhang, Leyu Wang*, Qiangbin Wang*. Spiral Patterning of Au Nanoparticles on Au Nanorod Surface to Form Chiral AuNR@AuNP Helical Superstructures Templated by DNA Origami. Adv. Mater., 2017, 29, 1606533.
9. Chenqi Shen, Xiang Lan, Xuxing Lu, Travis A. Meyer, Weihai Ni, Yonggang Ke*, Qiangbin Wang*. Site-Specific Surface Functionalization of Gold Nanorods Using DNA Origami Clamps. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 1764-1767.
10. Xiang Lan, Xuxing Lu, Chenqi Shen, Yonggang Ke, Weihai Ni, Qiangbin Wang*.Au Nanorod Helical Superstructures with Designed Chirality. J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 457-462.

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1. Mingming Du, Kun Zhou*, Xiao Wang, Jianting Zhang, Yejun Zhang, Jinchen Dong, Longlong Wu, Zhi Qiao, Gang Chen*, Qiangbin Wang*. Precise Fabrication of De Novo Nanoparticle Lattices on Dynamic 2D Protein Crystalline Lattices.Nano Lett., 2020, 20, 1154-1160.
2. Jianting Zhang, Kun Zhou, Yejun Zhang, Mingming Du,Qiangbin Wang*. Precise Self-Assembly of Nanoparticles into Ordered Nanoarchitectures Directed by Tobacco Mosaic Virus Coat Protein.  Mater., 2019, 31, 1901485.
3. Kun Zhou, Yonggang Ke, Qiangbin Wang*. Selective in Situ Assembly of Viral Protein onto DNA Origami. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 8074-8077.
4. Chenqi Shen, Xiang Lan, Chenggan Zhu, Wei Zhang, Leyu Wang*, Qiangbin Wang*. Spiral Patterning of Au Nanoparticles on Au Nanorod Surface to Form Chiral AuNR@AuNP Helical Superstructures Templated by DNA Origami. Adv. Mater., 2017, 29, 1606533.
5. Chenqi Shen, Xiang Lan, Xuxing Lu, Travis A. Meyer, Weihai Ni, Yonggang Ke*, Qiangbin Wang*. Site-Specific Surface Functionalization of Gold Nanorods Using DNA Origami Clamps. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 1764-1767.
6. Xiang Lan, Xuxing Lu, Chenqi Shen, Yonggang Ke, Weihai Ni, Qiangbin Wang*.Au Nanorod Helical Superstructures with Designed Chirality. J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 457-462.

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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