科学家探索发现了将蛋白质转化为定制结构的潜力
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在 DESY 的 PETRA III 同步加速器上使用 EMBL Hamburg 的世界级光束线 P12，研究人员将强大的 X 射线束引导到称为线圈折纸蛋白的人造蛋白质上。图片来源：Fabio Lapenta / 国家化学研究所，卢布尔雅那，斯洛文尼亚
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斯洛文尼亚和德国科学家最近的发现巧妙地探索了将蛋白质转化为定制结构的潜力。
折纸听起来更像是艺术而不是科学，但分子生物学家已经利用蛋白质用来确定其形状的复杂折叠途径，使他们能够构建一些迄今为止最复杂的合成蛋白质纳米结构。
斯洛文尼亚研究人员团队在DESY的 PETRA III 同步加速器上使用 EMBL Hamburg 的世界级光束线 P12，与 EMBL 的 Svergun 小组合作，将强大的 X 射线束引导到称为线圈折纸的人造蛋白质上。这些蛋白质被设计成基于成对相互作用的短模块折叠成特定形状。通过在 EMBL 光束线上确定它们的分子结构，研究人员确认蛋白质折叠成所需的形状，然后逐步研究自组装过程。这些发现促进了对合成折纸样蛋白质折叠如何潜在地传达治疗方法的理解，从而可以更精确地靶向药物，最大限度地减少副作用并最大限度地提高疗效。
“最近科学家们意识到，天然蛋白质只代表了可能蛋白质形状的一小部分，我们可以使用不同于天然蛋白质的设计原则。我们可以定制设计的蛋白质来制造新材料、提供药物和疫苗等等，”斯洛文尼亚卢布尔雅那国家化学研究所的合成生物学家 Roman Jerala 说，他领导了设计和建造双锥体（a由不同类型的人造蛋白质链制成的由两个相连的三角形金字塔组成的菱形。
虽然科学家们首先尝试使用DNA折纸，但蛋白质更适合潜在的应用。蛋白质是生命的分子机器，含有长链氨基酸，这些氨基酸可以折叠成特定于它们所服务的形状的形状。这可能意味着增强免疫力、与其他细胞交谈或执行其他任务以保持身体健康。这项研究中使用的蛋白质被折叠成称为盘绕线圈的编织绳索，这些绳索很容易与同一链的其他部分或其他分子结合。这使它们成为用于创建定制纳米结构的特别好的建筑材料。
Roman 的团队首先以更简单的折纸结构——一个三角形底座的单一金字塔——成功地完成了这项任务。他们以特定顺序检查了一条由氨基酸组成的蛋白质链，并观察了它是如何自组装的。然后是时候将它从一种结构转变为另一种结构，就好像折纸莲花可以变成鹤一样。他们将两条不同的氨基酸链放在一起，这些氨基酸链携带一种称为蛋白酶的剪刀酶的信号，告知它在折纸蛋白的哪个位置进行切割。通过这样做，他们设法迫使蛋白质将其折纸转换成不同的形状。
照亮蛋白质解决方案
为了完成这类工作，研究人员需要高科技工具。EMBL Hamburg 的光束线 P12 特别适合此目的，EMBL 的 Svergun 小组因其在小角度 X 射线散射 (SAXS) 技术方面的专业知识而闻名于世。自 2018 年以来，EMBL 科学家一直与来自斯洛文尼亚的小组合作，支持他们使用 SAXS 研究折纸蛋白的结构。
“在 SAXS 中，我们用 X 射线照射含有蛋白质溶液的玻璃毛细管。随着 X 射线在穿过溶液时散射，我们有办法解释这些结构，”小组负责人 Dmitri Svergun 说。“在这里，大多数数据收集工作都是自动化的，我们还为这样的合作提供重要的软件和分析支持。”
使用 EMBL 光束线，结合电子显微镜、量热法、计算建模和其他方法，研究人员收集了识别折纸蛋白质结构所需的数据，并确认这些形状适合其整体折纸设计。
“我们的工作是从光束线获取最佳信号并为获取数据创造最佳条件，”Svergun 小组的博士后 Stefano Da Vela 说。“我们提供工具来帮助理解 SAXS 实验数据并根据数据创建 3D 模型。”
研究人员观察到他们的合成蛋白质是“自下而上”组装的，这意味着首先形成小而详细的位，然后组装成一个更大的结构。了解这一点将有助于研究人员更精确地构建更复杂的蛋白质折纸结构。“SAXS 分析对于确定哪种设计导致所需形状至关重要，EMBL 开发的一流工具使我们能够检测我们设计的笼子的独特特征，”美国国家化学研究所博士后和主要作者 Fabio Lapenta 说他们最近在Nature Communications上的论文描述了这项工作。“盘绕线圈是出色的工具，可用于细胞以及分离的蛋白质。我们认为我们可以扩展卷曲螺旋蛋白质折纸的潜力，以设计许多新的蛋白质折叠并引入有趣的功能。”