病毒和類病毒顆粒?(VLPs)?因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)性質(zhì)備受研究者的青睞,特別是在有序結(jié)構(gòu)的分級組裝和模板控制合成中發(fā)揮了重要作用。然而野生型VLPs較差的穩(wěn)定性限制了其廣泛應(yīng)用。如何通過理性設(shè)計(jì),通過改造VLPs基元,提高其組裝性能,構(gòu)建穩(wěn)定的蛋白質(zhì)納米結(jié)構(gòu)亟待解決。

最近,中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的王強(qiáng)斌研究員在《Angewandte?Chemie》上發(fā)表了題為“Interfacially Bridging Covalent Network Yields Hyperstable and Ultralong Virus-based Fibers for Engineering Functional Materials”的文章。他們在煙草花葉病毒(TMV)自組裝過程中引入“Covalent Network”學(xué)術(shù)思想:通過在特定位置引入半胱氨酸突變,在TMV組裝成棒狀結(jié)構(gòu)中成功構(gòu)建了二硫鍵網(wǎng)絡(luò),連接所有的TMV蛋白亞基,形成長達(dá)十幾微米的纖維結(jié)構(gòu),并具有良好的穩(wěn)定性。該工作為蛋白質(zhì)自組裝調(diào)控及其應(yīng)用拓展具有很好的啟發(fā)作用。

蘇州納米所王強(qiáng)斌《Angew》:超長,超穩(wěn)定的煙草花葉病毒基纖維

1、?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

他們基于TMV蛋白結(jié)構(gòu),在橫向上,選取103位蘇氨酸突變?yōu)榘腚装彼?,連接相鄰亞基構(gòu)成二聚體。在軸向上,選取74位丙氨酸突變?yōu)榘腚装彼幔⒃趯?yīng)的50-54位分別構(gòu)建半胱氨酸突變,使其組成巰基對,對比不同突變的組裝效率。結(jié)合橫向和軸向的二硫鍵,所有的TMV亞基都會被包含在所設(shè)計(jì)的共價網(wǎng)絡(luò)之中(圖1D)。

蘇州納米所王強(qiáng)斌《Angew》:超長,超穩(wěn)定的煙草花葉病毒基纖維
圖1 ?TMV界面間共價網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

 

2、?組裝結(jié)果

在二價銅離子催化氧化下,構(gòu)建成功的4個突變體蛋白展現(xiàn)出了不同的組裝性能。T103C-TMV-E50C-A74C全部組裝成無缺陷的剛性纖維。而V51C-A74C,K53C-A74C,P54C-A74C則會有存在TMV盤狀結(jié)構(gòu)聚集,纖維存在缺口等現(xiàn)象。分析其原因,C50-C74之間的距離小于4 ?且并排朝向同一方向,有利于二硫鍵的形成。而其它突變體則有巰基對之間距離遠(yuǎn)、朝向不利二硫鍵形成等問題,導(dǎo)致組裝效率下降。

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圖2 ?T103C-TMV-E50C-A74C(A),T103C-TMV-V51C-A74C(B),T103C-TMV-K53C-A74C(C)和T103C-TMV-P54C-A74C(D)的組裝效率比較。

 

3、?堿性條件下的組裝及結(jié)構(gòu)的耐堿性

為了進(jìn)一步探究在不同條件下的組裝行為,他們選取了組裝效率最高的T103C-TMV-E50C-A74C進(jìn)行一系列測試。野生型的TMV需要在弱酸性,高鹽離子濃度條件下才能組裝成幾百納米長的棒狀結(jié)構(gòu),而T103C-TMV-E50C-A74C能夠在中性乃至堿性條件下形成十幾微米的纖維結(jié)構(gòu)。該纖維能夠在pH高達(dá)13的強(qiáng)堿性條件下維持穩(wěn)定,并且在50℃水浴加熱后也沒有發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)損壞。經(jīng)改造的超長,超穩(wěn)定的TMV纖維結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出作為生物模板的巨大應(yīng)用潛力。

蘇州納米所王強(qiáng)斌《Angew》:超長,超穩(wěn)定的煙草花葉病毒基纖維
圖3 ?T103C-TMV-E50C-A74C組裝形成超長,超穩(wěn)定的纖維結(jié)構(gòu)。

 

以組裝好的TMV纖維為生物模板,他們在纖維表面原位合成了Pd-Pt合金材料。Pd-Pt納米顆粒在TMV纖維表面負(fù)載均勻,通過優(yōu)化負(fù)載比,Pd-Pt/TMV復(fù)合材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的電催化活性。

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圖4 TMV纖維表面原位合成Pd-Pt合金及其電催化性能。

 

綜上所述,作者通過理性設(shè)計(jì),在蛋白界面間引入共價網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建了超長、超穩(wěn)定的TMV纖維結(jié)構(gòu),為其它納米功能材料的合成提供良好的生物模板。這項(xiàng)研究提出了改造現(xiàn)有生物模板的新策略,同時為構(gòu)建生物功能材料帶來了新的啟示。

 

全文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.202008670

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