中科院苏州纳米所王强斌研究员团队在DNA-蛋白质多级可控组装方向取得研究进展
生物大分子在自然进化中发展出一套独特的“自下而上”自组装方式进行各种复合结构的可控装配，为多功能生物纳米材料的加工制备提供了绝佳范例。其中，核酸-蛋白质纳米复合体系的可控构筑，不仅将实现生物学上两种基本组装模式的有效结合，以提供愈加复杂的生物结构模板，还有助于体内生物大分子相互作用的深入理解，对仿生器件制造和生物医学应用具有深远意义。
近年来，DNA纳米技术取得众多令人瞩目的研究成果。研究人员在计算机帮助下基于碱基互补配对原则构建了一系列精致的DNA多维结构，利用其伸出的 DNA捕获链杂交蛋白表面偶联的DNA片段，可指导蛋白客体在预定位置有序排布，从而广泛应用于DNA-蛋白质复合纳米结构的可编程构筑。然而，利用蛋白质表面氨基酸残基进行DNA共价交联的常规方法，有着一些难以规避的缺点，包括修饰基团对功能蛋白活性的损害，修饰点与取向的不可控性以及操作体系不适于体内自组装过程等，限制了进一步的发展。因此，一些科学家利用非共价交联手段，如链霉亲和素-生物素相互作用、特异性适配体和DNA结合蛋白等，进行DNA支架-蛋白质复合纳米结构的组装研究。但目前这些研究往往局限于特殊蛋白个体在 DNA支架上的结合排布，并且不涉及后续组装调控。构建更加高级而有序的DNA-蛋白质复合结构，并实现蛋白分子化学计量学和原位组装调控，是发展基于核酸和蛋白质的杂化生物纳米材料所面临的一个重要挑战。
图1 DNA支架上进行病毒蛋白原位组装及多级可控构筑示意图
针对这一挑战，中科院苏州纳米所王强斌研究员团队在前期工作的基础上(ACS Nano, 2018, 12, 1673-1679; Adv. Mater., 2017, 29, 1606533; J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 1764-1767; Small, 2016, 12, 4955-4959; J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 457–462; J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 11441–11444.)，首次利用病毒蛋白与基因组RNA内在作用机制在DNA支架上进行原位可控组装体系的设计，展示了DNA-蛋白复合结构的多级可控构筑。
病毒是一类典型的自组体，它的装配过程具有很高的特异性和效率，能够在短时间内利用弱键协同作用组装生产出大量的病毒颗粒。以烟草花叶病毒（tobacco mosaic virus, TMV）作为模式系统，研究人员探索了不同条件下TMV基因组RNA与衣壳蛋白的互作规律及其对病毒颗粒的装配调控。TMV基因组特定的组装起始序列可有效引导核酸与病毒衣壳蛋白的特异性结合并引发体外重构组装，并且病毒蛋白管的组装长度是由RNA长度决定的，从而为蛋白域的精确调控提供了可能。研究人员构建了一维到三维DNA origami模板作为支架结合不同长度的TMV RNA重组序列，引导后续的原位组装过程。通过支架表面结合位点和序列的设计，不仅实现TMV病毒蛋白管在DNA支架特定位置按一定组装程序进行定向装配生长，还完成蛋白管原位组装长度的有效调控。这些成果为构建复杂DNA-蛋白复合组装体系提供了新的策略。这种策略具有普适性，展现出以DNA origami为功能载体结合其它探针进行病毒组装与感染机制研究的潜力，为DNA纳米技术在生物医学领域的应用提供新的视角。
以上工作发表了在《美国化学会志》杂志上(J. Am. Chem. Soc., 2018,DOI: 10.1021/jacs.8b03914)。该工作得到了国家自然科学基金(21425103, 21673280, 21703282)和国家重点研发计划(2016YFA0101503, 2017YFA0205503)等项目的经费支持。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021%2Fjacs.8b03914
来源：中科院苏州纳米所
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