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Science:从头设计出能够自我组装的蛋白丝

来源:本站原创 2018-11-12 20:13

2018年11月12日/生物谷BIOON/---在自然界中,蛋白丝(protein filament)是活细胞中的若干结构部分和运动部分以及许多身体组织的必要组分。这其中就包括赋予细胞形状的细胞骨架、协调细胞分裂的细胞微管以及我们体内最常见的蛋白---胶原蛋白,它给我们的软骨、皮肤和其他组织提供强度和灵活性。

在一项新的研究中,美国华盛顿大学蛋白设计学院主任David Baker及其团队为了从头设计这些蛋白丝,他们采用了一种称为Rosetta的计算机程序,它能够根据蛋白的氨基酸序列预测它的形状。相关研究结果发表在2018年11月9日的Science期刊上,论文标题为“De novo design of self-assembling helical protein filaments”。
图片来自Institute for Protein Design/UW Medicine。

为了正常地发挥功能,蛋白必须折叠成准确的形状。这种折叠是由各个氨基酸的性质、它们彼此之间和它们与周围的液体环境如何相互作用驱动的。吸引力和排斥力促使蛋白呈现出一种具有最低能量水平的形状。

通过计算哪种形状平衡这些吸引力和排斥力从而产生最低的总能量水平,Rosetta能够准确度地预测一种蛋白在自然界中呈现出的形状。

通过使用Rosetta,这些研究人员设计出一种小蛋白,这种蛋白表面上的氨基酸能够让它们彼此之间结合在一起。这允许它们自组装成螺旋结构。鉴于这种这种螺旋结构一层又一层地缠绕着,为了让它保持稳定,这个设计出的蛋白与位于它的上方和下方的其他蛋白拷贝结合在一起。

论文共同第一作者、华盛顿大学分子工程与科学研究所博士生Hao Shen说,“我们最终能够像乐高积木一样设计出能够能够结合在一起的蛋白。”

论文共同第一作者、华盛顿大学医学院生物化学研究员Jorge Fallas说,这些设计出来的蛋白相对较小。它们仅由大约180~200个氨基酸组成,长度仅为大约1纳米,但是能够组装成稳定的长度超过1万纳米的蛋白丝。

这些研究人员还证实通过调整所设计出的蛋白在溶液中的浓度,并且通过添加抑制所设计蛋白的结合能力的加帽序列(capping unit),他们能够促进这些蛋白丝生长或分解。

Baker说,“对蛋白丝形成的动态变化进行编程的能力将让我们深入了解蛋白丝在自然下的组装和分解方式。这些蛋白的稳定性表明它们可能起着易于修改的支架的作用,用于从开发新的诊断测试到纳米电子学的一系列应用中。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Hao Shen1,2,3,*, Jorge A. Fallas1,2,*,†, Eric Lynch et al. De novo design of self-assembling helical protein filaments. Science, 09 Nov 2018, 362(6415): 705-709, doi:10.1126/science.aau3775.

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