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近日，國際學(xué)術(shù)期刊PNAS（《美國科學(xué)院院報》）在線(xiàn)發(fā)表了中國科學(xué)院武漢病毒研究所與合作單位的最新研究成果。論文題為“A prototype protein nanocage minimized from carboxysomes with gated oxygen permeability”。該研究從頭設計構建了一種氧氣通透性可調控的人工蛋白納米籠（protein nanocage，PNC）結構。
PNC廣泛存在于生物界，是由蛋白質(zhì)亞單位通過(guò)精確有序自組裝形成的籠形功能納米結構，其類(lèi)型多樣（如病毒衣殼、細菌微區室、鐵蛋白超家族等），是蛋白、核酸、礦物質(zhì)等生物活性分子儲存、遞送與代謝調節的關(guān)鍵載體，也能為細胞內特異性高效酶催化提供限域空間。從材料學(xué)的角度，PNC具有可遺傳編碼、空間可尋址、可生物合成和易于功能化等優(yōu)勢，為靶向診療、催化、mRNA遞送、納米光子學(xué)等應用提供了重要技術(shù)平臺，受到廣泛關(guān)注。除了開(kāi)發(fā)利用天然的PNC，從頭設計PNC一直是領(lǐng)域內科學(xué)家的夢(mèng)想。盡管已有一些成功的嘗試，但設計具有特定物質(zhì)通透性的PNC仍然非常具有挑戰。
藍藻羧酶體外殼是由多種蛋白組成的類(lèi)似病毒衣殼的PNC，具有物質(zhì)透過(guò)選擇性（碳酸氫根可透過(guò)而氧氣不可透過(guò)）。受此啟發(fā)，研究團隊以羧酶體頂點(diǎn)蛋白CcmL五聚體為構筑單元，結合前期病毒衣殼蛋白-無(wú)機納米顆粒雜合組裝的研究基礎，通過(guò)界面設計，以量子點(diǎn)為模板指導CcmL五聚體組裝形成了直徑12 nm的PNC。聯(lián)合使用固體核磁共振和冷凍電鏡技術(shù)解析其結構，發(fā)現該PNC為正二十面體對稱(chēng)結構，具有高度保守的五聚體間相互作用界面，并觀(guān)測到蛋白與量子點(diǎn)的作用位點(diǎn)。這是國際上首次在蛋白-無(wú)機雜合組裝體中獲得原子分辨率的蛋白質(zhì)結構?；诟叻直娼Y構信息，他們利用親和性的分子補丁封閉該PNC殼的孔洞，可逆地控制籠子的氧通透性，從而建立了一種門(mén)控機制，首次實(shí)現了對特定分子具有可控通透性的PNC的人工設計。CcmL PNC有望用于氧氣敏感或響應性材料的存儲、催化、輸送、傳感等方面，對類(lèi)羧酶體人工細胞器的設計也有借鑒意義。此外，該研究建立的兩種分別基于量子點(diǎn)和銥配合物的氧氣傳感策略也為相關(guān)生物學(xué)研究提供了新方法。
武漢病毒所博士生高瑞敏、精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng )新研究院博士生譚歡和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李珊珊博士為該論文的共同第一作者，武漢病毒所李峰研究員、生物物理所、深圳理工大學(xué)張先恩研究員、精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng )新研究院楊俊研究員為論文共同通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目的資助。
圖1. 氧氣通透性可調控的人工蛋白納米籠的設計與構建。A) 量子點(diǎn)(QD)模板指導的CcmL PNC (QD@HCcmL) 的負染TEM表征。B) 聯(lián)合使用固體核磁共振和冷凍電鏡技術(shù)解析PNC的結構。C-E) QD (C)、QD@HCcmL (D)、QD@HCcmL (patched) (E) 的氧敏感性分析。