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自组装蛋白质复合物可以为纳米结构提供支架

当血红蛋白仅经历一个突变时,这些蛋白质复合物彼此粘附,堆叠像乐高积木形成长而硬的细丝。这些细丝反过来延长了镰状细胞病中发现的红细胞。50多年来,这是唯一已知的教科书例子,其中突变导致这种细丝形成。根据Weizmann科学研究所结构生物学系的Emmanuel Levy博士及其小组的研究,在进化过程中,乐高式组装应该相对频繁地形成。这种组装方法可以是常见的,还是很容易重现?他们的答案最近发表在“自然”杂志上,可能对生物学研究和纳米科学产生影响。

自组装蛋白质复合物可以为纳米结构提供支架

血红蛋白和许多其他蛋白质复合物是对称的:由相同的单位组成。并且由于相同的单位是由相同的基因产生的,因此每个基因突变在复合物中重复多次。产生粘性斑块并在复合物的相对侧重复的突变可诱导蛋白质堆叠成长蛋白质纤维。与类淀粉样蛋白质纤维不同,这些堆叠中的复合物不会改变形状或展开以便组装。

发生粘性是因为突变取代了通常为亲水性的“爱水”的氨基酸 - 具有疏水性 - “水憎”的氨基酸。在蛋白质移动的水环境中,这些蛋白质上的疏水区域优选彼此相互作用,如水中的泡沫气泡。

在他们的实验中,Levy和他的团队,包括Hector Garcia-Seisdedos,Charly Empereur-Mot(现在在巴黎国立艺术学院和Métiers音乐学院)和Weizmann研究所的化学研究支持部门的Nadav Elad,开始时对称蛋白质复合物由八个相同的单位组成。他们只遵循一个改变蛋白质的规则:用疏水的“粘性”转换亲水性氨基酸。

该团队最初创建了具有三种突变的蛋白质,两种不同的粘性氨基酸,并在两种情况下观察到类似Lego的自组装。进一步调查,该团队对每个突变进行了单独试验,发现其中一个人能够自行生产长丝。

那么,突变只做一件事 - 增加蛋白质表面的粘性 - 可能诱导类似Lego的自组装吗?研究人员突变了另外11种已知形成对称复合物的蛋白质 - 在所有中创造了73种不同的突变 - 并在面包酵母细胞中产生它们,添加荧光蛋白“标签”以实现其可视化。在这些变化中的30个中,研究人员观察到表明自组装的行为:其中大约一半已经堆叠成长丝,而另一半则以更无定形的方式聚集在一起,形成“焦点”。

如果研究人员在实验室中如此轻易地再现镰状细胞丝的现象,为什么在生物医学研究中不再看到它?Levy提出了两个答案:首先,研究小组发现天然对称蛋白质进化为在其表面上具有额外的亲水性氨基酸,从而最大限度地降低了自组装的风险。其次,Levy说,研究人员可能会看到比他们想象的更多的乐高装配:“现在研究人员知道他们可以如此容易地进化,他们可能会更仔细地看待焦点并看到更多与生物学相关的乐高组装。”

“此外,”他补充说,“细丝在酵母中很容易生产,它们可能是纳米结构支架的良好候选者。我们的研究独特之处在于它不需要复杂的计算设计,我们也不需要扫描数千个的突变找到我们想要的人。我们只是开始与现有的结构,并发现了一个简单的策略,以诱导丝的组装。”

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