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对动力学纳米多孔蛋白质组件熵驱动自由能图景的调控

导读: 蛋白质自组装是在生命系统中形成功能材料和器件的主导方式,实验室研究目前通常采用由下到上(bottom-up)的方式构建合成材料。

【引言】

蛋白质自组装是在生命系统中形成功能材料和器件的主导方式,实验室研究目前通常采用由下到上(bottom-up)的方式构建合成材料。对分子相互作用的基础物理理解对于目标超分子构架的合理设计至关重要,同时,对于其结构动力学和环境相应的调控也发挥着重要作用。可预测性地切换不同的构象态,从头设计和构建刺激响应性的蛋白质组件,至今在生物分子设计领域仍是一个必要且极具挑战性的任务。

【成果简介】

近日,美国加州大学圣迭戈分校的F. Akif Tezcan教授和Francesco Paesani教授(共同通讯作者)合作,在Nature Chemistry上发表了最新研究“Engineering the entropy-driven free-energy landscape of a dynamic nanoporous protein assembly”。此前,文章作者报道过通过二硫化物键合相互作用人工合成二维蛋白质晶格组件,在本文中,作者提出全部原子的分子动力学模拟,描绘这些晶格的自由能图景,借助电子显微技术进行大量结构表征,从而验证这些图景,提出自由能图景主要是由溶剂重构熵控制的。随后在静电排斥相互作用条件下,对蛋白质表面的再设计,使得作者预测性地对自由能图景增加扰动,得到一种新的蛋白质晶格,其构象动力学可在三种不同化学、机械性能和不同孔隙率和分子密度的状态下相互切换。

【图文导读】

图1:C98RhuA晶体的结构特征。

对动力学纳米多孔蛋白质组件熵驱动自由能图景的调控

(a) C98RhuA四聚体的表面特征,黑色标记为98位点,氧化后自组装为多孔二维晶体的示意图;

(b) C98RhuA晶格所得构象态的TEM图像和草图表示;

(c)从蛋白质中突出的“相互作用带”的示意图;

(d)实验测量得到的参数E的计算以及推广到ζ坐标的概况。

图2:C98RhuA晶格结构动力学的热力学分析。

对动力学纳米多孔蛋白质组件熵驱动自由能图景的调控

(a)在连续范围的C98RhuA晶格构象中,计算自由能图景(上)和随之产生的溶剂熵的变化(下);

(b) 实验测量得到的和PMF计算得到的C98RhuA晶体的平衡构象概率直接比较。

图3:晶格压缩对孔内溶剂结构的影响。

对动力学纳米多孔蛋白质组件熵驱动自由能图景的调控

(a)上图为归一化孔内水密度的2D图,下图为密度沿孔的二等分线一维分布图,对数据进行定量解释;

(b)近蛋白质表面溶剂分子的数分布。

图4:CEERhuA构型的设计和分析。

对动力学纳米多孔蛋白质组件熵驱动自由能图景的调控

(a)CEERhuA四聚体的表面形貌;

(b) CEERhuA晶格动力学的示意图和设计的预期效果;

(c)RhuA晶格的TEM图像;

(d) CEERhuA动力学的热力学分析。

(e) CEERhuA构象在沉淀-再悬浮多轮循环期间的实验分布。

图5:CEERhuA晶体的化学和力学切换行为。

对动力学纳米多孔蛋白质组件熵驱动自由能图景的调控

(a)上图:示意图描述所有可能的CEERhuA晶格切换模式,下图:对应上图状态的实验分布;

(b)RhuA晶体切换模式的总结。

【小结】

该工作呈现了完整描绘自由能图景的合成蛋白质组件,经预测性调控可具有化学和力学相应结构切换行为。为此,设计的关键点在于使用强且可逆的弹性键合相互作用,组装到2DRhuA晶格中。二硫键在蛋白质表面的小足迹不仅赋予RhuA晶格一个大范围的构象自由度,还使得其它相互作用类型处于“巡游”态,预测性地改变自由能图景,控制结构动力学。

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