工程细菌生物合成复杂的蛋白质复合物
自然界中微生物中发现的蛋白质笼有助于其内容物免受恶劣的细胞内环境的影响——这是许多生物工程应用中的观察结果。东京工业大学的研究人员最近开发了一种利用转基因细菌的创新生物工程方法;这些细菌可以在蛋白质晶体周围形成蛋白质笼。这种细胞内生物合成方法可有效生产高度定制的蛋白质复合物，可作为先进的固体催化剂和功能化纳米材料。
在自然界中，蛋白质可以组装形成具有多种形状和用途的有组织的复合物。由于过去几十年生物工程取得的显着进步，科学家现在可以为特殊应用生产定制的蛋白质组件。例如，蛋白质笼可以限制作为目标化学反应催化剂的酶，使其免受潜在恶劣的细胞环境的影响。同样，蛋白质晶体(由蛋白质重复单元组成的结构)可以作为合成具有暴露的功能末端的固体材料的支架。
然而，在蛋白质晶体表面掺入(或“封装”)外来蛋白质具有挑战性。因此，合成封装外来蛋白质组装体的蛋白质晶体一直难以实现。到目前为止，还没有有效的方法来实现这一目标，并且产生的蛋白质晶体的类型也有限。但如果细菌细胞机器能够实现这一目标呢?
在最近的一项研究中，包括Takafumi Ueno教授在内的东京工业大学研究小组报告了一种新的 细胞内 方法，用于在蛋白质晶体上封装具有多种功能的蛋白质笼。他们的论文 发表在 《纳米快报》上，代表了蛋白质晶体工程的重大突破。
该团队的创新策略涉及对 大肠杆菌进行基因改造 ，以产生两个主要组成部分：多角体单体(PhM)和修饰铁蛋白(Fr)。一方面，PhM 在细胞内自然结合，形成经过充分研究的蛋白质晶体，称为多面体晶体 (PhC)。另一方面，已知 24 个 Fr 单元结合形成稳定的蛋白质笼。“铁蛋白已被广泛用作通过修饰其内表面和外表面来构建生物纳米材料的模板。因此，如果 Fr 笼的形成及其随后在 PhC 上的固定可以在单个细胞中同时进行，则应用细胞内蛋白质晶体作为生物混合材料将得到扩展，”上野教授解释道。
为了将 Fr 笼固定到 PhC 中，研究人员修改了 Fr 编码基因，使其包含 PhM 的 α-螺旋 (H1) 标签，从而创建了 H1-Fr。这种方法背后的原因是，PhM 分子中天然存在的 H1 螺旋与 H1-Fr 上的标签显着相互作用，充当将外来蛋白质结合到晶体上的“招募剂”。
研究小组利用先进的显微镜、分析和化学技术验证了他们提出的方法的有效性。通过各种实验，他们发现所得晶体具有核壳结构，即约400纳米宽的立方PhC核，覆盖着五六层H1-Fr笼。
这种功能性蛋白质晶体生物合成策略在医学、催化和生物材料工程中的应用前景广阔。“H1-Fr 笼具有将外部分子固定在其内部以进行分子传递的潜力，”Ueno 教授说道，“我们的结果表明 H1-Fr/PhC 核壳结构，在其外表面上展示了 H1-Fr 笼“PhC 核心可以在纳米级水平上进行单独控制。通过在 PhC 核心和 H1-Fr 笼中积累不同的功能分子，可以构建分层的纳米级控制晶体，用于先进的生物技术应用。”
该领域的未来工作将帮助我们实现生物工程蛋白质晶体和组装体的真正潜力。运气好的话，这些努力将为更健康、更可持续的未来铺平道路。
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