病毒和類病毒顆粒?(VLPs)?因其獨特的結(jié)構(gòu)性質(zhì)備受研究者的青睞，特別是在有序結(jié)構(gòu)的分級組裝和模板控制合成中發(fā)揮了重要作用。然而野生型VLPs較差的穩(wěn)定性限制了其廣泛應(yīng)用。如何通過理性設(shè)計，通過改造VLPs基元，提高其組裝性能，構(gòu)建穩(wěn)定的蛋白質(zhì)納米結(jié)構(gòu)亟待解決。
最近，中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的王強斌研究員在《Angewandte?Chemie》上發(fā)表了題為“Interfacially Bridging Covalent Network Yields Hyperstable and Ultralong Virus-based Fibers for Engineering Functional Materials”的文章。他們在煙草花葉病毒(TMV)自組裝過程中引入“Covalent Network”學(xué)術(shù)思想：通過在特定位置引入半胱氨酸突變，在TMV組裝成棒狀結(jié)構(gòu)中成功構(gòu)建了二硫鍵網(wǎng)絡(luò)，連接所有的TMV蛋白亞基，形成長達(dá)十幾微米的纖維結(jié)構(gòu)，并具有良好的穩(wěn)定性。該工作為蛋白質(zhì)自組裝調(diào)控及其應(yīng)用拓展具有很好的啟發(fā)作用。
1、?結(jié)構(gòu)設(shè)計
他們基于TMV蛋白結(jié)構(gòu)，在橫向上，選取103位蘇氨酸突變?yōu)榘腚装彼幔B接相鄰亞基構(gòu)成二聚體。在軸向上，選取74位丙氨酸突變?yōu)榘腚装彼?，并在對?yīng)的50-54位分別構(gòu)建半胱氨酸突變，使其組成巰基對，對比不同突變的組裝效率。結(jié)合橫向和軸向的二硫鍵，所有的TMV亞基都會被包含在所設(shè)計的共價網(wǎng)絡(luò)之中（圖1D）。
2、?組裝結(jié)果
在二價銅離子催化氧化下，構(gòu)建成功的4個突變體蛋白展現(xiàn)出了不同的組裝性能。T103C-TMV-E50C-A74C全部組裝成無缺陷的剛性纖維。而V51C-A74C，K53C-A74C，P54C-A74C則會有存在TMV盤狀結(jié)構(gòu)聚集，纖維存在缺口等現(xiàn)象。分析其原因，C50-C74之間的距離小于4 ?且并排朝向同一方向，有利于二硫鍵的形成。而其它突變體則有巰基對之間距離遠(yuǎn)、朝向不利二硫鍵形成等問題，導(dǎo)致組裝效率下降。
3、?堿性條件下的組裝及結(jié)構(gòu)的耐堿性
為了進一步探究在不同條件下的組裝行為，他們選取了組裝效率最高的T103C-TMV-E50C-A74C進行一系列測試。野生型的TMV需要在弱酸性，高鹽離子濃度條件下才能組裝成幾百納米長的棒狀結(jié)構(gòu)，而T103C-TMV-E50C-A74C能夠在中性乃至堿性條件下形成十幾微米的纖維結(jié)構(gòu)。該纖維能夠在pH高達(dá)13的強堿性條件下維持穩(wěn)定，并且在50℃水浴加熱后也沒有發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)損壞。經(jīng)改造的超長，超穩(wěn)定的TMV纖維結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出作為生物模板的巨大應(yīng)用潛力。
以組裝好的TMV纖維為生物模板，他們在纖維表面原位合成了Pd-Pt合金材料。Pd-Pt納米顆粒在TMV纖維表面負(fù)載均勻，通過優(yōu)化負(fù)載比，Pd-Pt/TMV復(fù)合材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的電催化活性。
綜上所述，作者通過理性設(shè)計，在蛋白界面間引入共價網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了超長、超穩(wěn)定的TMV纖維結(jié)構(gòu)，為其它納米功能材料的合成提供良好的生物模板。這項研究提出了改造現(xiàn)有生物模板的新策略，同時為構(gòu)建生物功能材料帶來了新的啟示。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.202008670
