DNA修饰蛋白质，定向组装可控制

对科学家来说，在纳米层面上合成精确定义的结构组件（building block）非常具有挑战性。但在生物系统中，这只是普通得不能再普通的常规任务。蛋白质可以在定向非共价键相互作用下组装成更复杂的结构，以执行相应的生物学功能，例如肌动蛋白组装成肌动蛋白纤维。不同于蛋白质组装过程的复杂定向相互作用，DNA的组装专一性更高，更容易预测，可以用于纳米结构组件的合成。例如DNA双螺旋中两条寡核苷酸链，如果把它们分开并接到需要修饰的主体上，通过双螺旋的自组装就可以调控修饰主体的方向和排列。具有各向异性并通过DNA功能化的纳米颗粒，能够展现定向结合的特点。

美国西北大学的Chad A. Mirkin教授（点击查看介绍）课题组的一个研究方向就是功能化蛋白质的组装。最近，该课题组在J. Am. Chem. Soc. 上发表了新进展，通过少量寡核苷酸修饰蛋白质的表面，得到可定向结合的功能化蛋白质组装体。具体来说，仅仅需要将少量互补寡核苷酸分别连接到蛋白质表面（每个蛋白质上下两面连接同一种寡核苷酸），通过DNA的定向结合，就可实现蛋白质的定向组装，形成一维蛋白质材料。这一策略具有通用性，对于一些表面无法容纳太多DNA修饰的小型蛋白质的功能化具有重要的指导意义。

DNA修饰蛋白质实现蛋白质定向组装。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

作者预测，使用一对短于4纳米的寡核苷酸（10碱基对），将其接到蛋白质表面，即可提供必要的驱动力来使DNA修饰的蛋白质定向组装。为了验证这一假想，他们设计了一个一维线性二价（bivalent）DNA-蛋白质结合体。所谓二价，指的是这种结构组件可以与另一个结构组件发生两次结合。作者选择的模型蛋白质是β-半乳糖苷酶（β-galactosidase，βGal），它具有D₂对称性，在之前的研究中发现它在DNA功能化过程中足够稳定。作者对其进行了突变以获得便于研究的蛋白质突变体βGal1D，βGal1D再与马来酰亚胺封端的长度为10碱基对的一对互补寡核苷酸（DNA A和DNA B）分别反应，得到两种DNA-蛋白质结合体（βGal1D-DNA A和βGal1D-DNA B，下图B）。对于蛋白质突变以及随后的修饰过程，作者都进行了相关表征。

βGal1D及其DNA功能化。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

接着，为了表征DNA-蛋白质结合体的温度相关的结合能力并了解其结合行为，作者采用了给体淬灭荧光共振能量转移技术来进行熔化实验。由于DNA链与蛋白质表面靠的非常近，作者认为这种面对面的结合会导致显著上升且变窄的熔化转变。实验数据证实了这种推测，相较于游离DNA双螺旋的熔点（T_m）31.7 ℃和半峰全宽（fwhm）温度11.8 ℃，DNA-蛋白质结合体T_m为41.5 ℃，fwhm温度为8.1 ℃。

βGal1D-DNA温度依赖的结合。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

然后作者使用透射电镜（TEM）来检测DNA修饰是否能够得到定向二价组装的蛋白质。作者推测这样面对面的结合是热力学决定的结果，因此DNA和蛋白质之间需要必要的时间和温度来进行重组。作者发现，室温下的组装只能得到混乱的聚集体，于是他们又在低温条件下进一步研究DNA-蛋白质结合体的组装。冷冻电镜（Cryo-TEM）、凝胶电泳、负染色透射电镜确认了组装体的方向符合作者设计，证实他们可以程序化控制DNA和蛋白质的定向相互作用。

βGal1D-DNA定向组装及冷冻电镜、负染色透射电镜图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

总结

Chad A. Mirkin教授等人合成并表征了DNA功能化蛋白质结构组件，可发生程序化受控的定向组装，得到一维蛋白质材料。他们发现只需少量寡核苷酸即可实现这种定向组装，为细胞外合成生物活性结构找到了一种可广泛应用的新方法。同时，该研究也展现了超分子组装策略对一维蛋白质材料合成的贡献。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

DNA-Functionalized, Bivalent Proteins

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 6776–6779, DOI: 10.1021/jacs.8b03403

导师介绍

Chad A. Mirkin

http://www.x-mol.com/university/faculty/386

（本文由叶舞知秋供稿）