被称为折纸的古代折纸艺术被用来制作复杂的鸟或其他形状。工作的启发,DNA折纸,纳米结构是由DNA折叠,一个工程师团队在麦凯维圣路易斯华盛顿大学的工程学院找到了一种新的方式来创建单链蛋白纳米结构通过合成生物学和蛋白质组装技术。
该团队使用稳定的蛋白质构建块，创造出三角形和正方形的纳米结构。这些蛋白质纳米结构可以承受高温和苛刻的化学条件，而这两种情况在dna基纳米结构中是不可能的。在未来，这些蛋白质纳米结构可以用来提高传感能力，加速化学反应，在药物传递和其他应用。
当试图创建适合特定应用的蛋白质纳米结构时，研究人员通常会对现有的蛋白质结构(如病毒颗粒)进行修改。然而，使用这种方法可以得到的纳米结构的形状仅限于大自然所提供的。现为张福忠，能源环境与工程学院副教授化学工程和他的实验室成员开发了一种自下而上的方法来构建二维纳米结构，基本上是从零开始。
张“建造大自然没有提供的东西更令人兴奋，”张说。“我们将单个折叠的蛋白质用作构建块，然后将它们一块一块地组装起来，这样我们就能创造出量身定制的纳米结构。”
这项研究的结果发表在7月25日的《自然通讯》杂志上。
利用合成生物学的方法，张的团队首先生物合成了棒状的蛋白质构建块，形状类似于铅笔，但只有12纳米长。
然后，他们通过反应蛋白结构域将这些构建块连接在一起，这些结构域通过基因融合到每根杆子的两端，形成三个杆子组成的三角形和四个杆子组成的正方形。这些反应蛋白区域被称为分裂内蛋白，这对张的实验室来说并不新鲜——他们正是他的团队用来制造高强度合成蜘蛛丝和合成粘着贻贝足蛋白复制品的工具。
在这两种情况下，这些分裂的内珠蛋白群都能产生大量的蛋白质，使合成的蛛丝更坚韧，贻贝足部的蛋白质更粘。在这种情况下，它们使新型纳米结构的构建成为可能。
张的团队与罗希特·帕普(Rohit Pappu)合作。帕普是埃德温·h·默蒂(Edwin H. Murty)工程学教授、生物医学工程学教授，也是研究蛋白质本质无序、相变和蛋白质折叠的生物物理学专家。张和帕普都是该校科学与技术中心的成员生命系统工程(csel)。
“Pappu教授的实验室，特别是前博士后研究员Choi Jeong-Mo，帮助我们理解连接处的蛋白质序列如何决定这些纳米结构的灵活性，并帮助我们预测蛋白质序列，从而更好地控制纳米结构的灵活性和几何形状，”张说。“我的合成生物学实验室和帕普教授的生物物理建模实验室之间的合作已经证明非常有效。”
这种协作简化了一个非常复杂的过程。
张说:“一旦我们理解了设计策略，这项工作就变得相当简单，而且非常有趣。”“我们只是控制不同的官能团，然后他们控制形状。”
由于蛋白质具有多种功能，这些纳米结构有望作为支架材料组装各种纳米材料。为了验证这个想法，研究小组在三角形的顶点上精确地组装了1纳米金纳米颗粒。使用最先进的电子显微镜在大学的材料科学研究所&工程上，蛋白质三角形和组装在三角形顶点上的金纳米粒子都是可见的。
为了测试这些蛋白质纳米结构的稳定性，研究小组将它们暴露在高温下，最高98摄氏度，化学物质，如盐酸胍，和有机溶剂，如丙酮。虽然这些条件通常会破坏蛋白质结构，但张实验室的结构却完好无损。张说，这种超稳定性可以使更多的纳米应用成为可能，而使用DNA或其他蛋白质制成的纳米结构是困难的或不可能的。
接下来，该团队将与机械工程教授Srikanth Singamaneni合作材料科学和csel的成员之一，利用这些蛋白质纳米结构来开发改进的等离子体传感器。
” Pappu说:“利用高度稳定的结构构建块与本质上无序或灵活的区域之间的相互作用，为设计具有可定制特性的纳米结构，用于合成生物学和生物医学科学的各种应用提供了一种新的途径。”“这是我们中心的主要推动力之一，反映在该中心的三个不同实验室之间的协同作用上。”
白，萨金特CJ，蔡建民，帕普，RV，张峰。《自然通讯》，2019年7月25日。10.1038 / s41467 – 019 – 11285 – 8
该研究由海军研究办公室(N000141512515)、美国宇航局空间技术研究奖学金(80NSSC18K1145)、人类前沿科学项目(RGP0034/2017)和国家科学基金会(MCB-1614766)资助。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://source.wustl.edu/2019/07/synthetic-biology-enables-protein-origami/