苏州纳米所王强斌《Angew》:超长,超稳定的烟草花叶病毒基纤维

病毒和类病毒颗粒 (VLPs) 因其独特的结构性质备受研究者的青睐,特别是在有序结构的分级组装和模板控制合成中发挥了重要作用。然而野生型VLPs较差的稳定性限制了其广泛应用。如何通过理性设计,通过改造VLPs基元,提高其组装性能,构建稳定的蛋白质纳米结构亟待解决。

最近,中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的王强斌研究员在《Angewandte Chemie》上发表了题为“Interfacially Bridging Covalent Network Yields Hyperstable and Ultralong Virus-based Fibers for Engineering Functional Materials”的文章。他们在烟草花叶病毒(TMV)自组装过程中引入“Covalent Network”学术思想:通过在特定位置引入半胱氨酸突变,在TMV组装成棒状结构中成功构建了二硫键网络,连接所有的TMV蛋白亚基,形成长达十几微米的纤维结构,并具有良好的稳定性。该工作为蛋白质自组装调控及其应用拓展具有很好的启发作用。

苏州纳米所王强斌《Angew》:超长,超稳定的烟草花叶病毒基纤维

1、 结构设计

他们基于TMV蛋白结构,在横向上,选取103位苏氨酸突变为半胱氨酸,连接相邻亚基构成二聚体。在轴向上,选取74位丙氨酸突变为半胱氨酸,并在对应的50-54位分别构建半胱氨酸突变,使其组成巯基对,对比不同突变的组装效率。结合横向和轴向的二硫键,所有的TMV亚基都会被包含在所设计的共价网络之中(图1D)。

苏州纳米所王强斌《Angew》:超长,超稳定的烟草花叶病毒基纤维
图1  TMV界面间共价网络设计。

 

2、 组装结果

在二价铜离子催化氧化下,构建成功的4个突变体蛋白展现出了不同的组装性能。T103C-TMV-E50C-A74C全部组装成无缺陷的刚性纤维。而V51C-A74C,K53C-A74C,P54C-A74C则会有存在TMV盘状结构聚集,纤维存在缺口等现象。分析其原因,C50-C74之间的距离小于4 Å且并排朝向同一方向,有利于二硫键的形成。而其它突变体则有巯基对之间距离远、朝向不利二硫键形成等问题,导致组装效率下降。

苏州纳米所王强斌《Angew》:超长,超稳定的烟草花叶病毒基纤维
图2  T103C-TMV-E50C-A74C(A),T103C-TMV-V51C-A74C(B),T103C-TMV-K53C-A74C(C)和T103C-TMV-P54C-A74C(D)的组装效率比较。

 

3、 碱性条件下的组装及结构的耐碱性

为了进一步探究在不同条件下的组装行为,他们选取了组装效率最高的T103C-TMV-E50C-A74C进行一系列测试。野生型的TMV需要在弱酸性,高盐离子浓度条件下才能组装成几百纳米长的棒状结构,而T103C-TMV-E50C-A74C能够在中性乃至碱性条件下形成十几微米的纤维结构。该纤维能够在pH高达13的强碱性条件下维持稳定,并且在50℃水浴加热后也没有发生明显的结构损坏。经改造的超长,超稳定的TMV纤维结构展现出作为生物模板的巨大应用潜力。

苏州纳米所王强斌《Angew》:超长,超稳定的烟草花叶病毒基纤维
图3  T103C-TMV-E50C-A74C组装形成超长,超稳定的纤维结构。

 

以组装好的TMV纤维为生物模板,他们在纤维表面原位合成了Pd-Pt合金材料。Pd-Pt纳米颗粒在TMV纤维表面负载均匀,通过优化负载比,Pd-Pt/TMV复合材料展现出了优异的电催化活性。

苏州纳米所王强斌《Angew》:超长,超稳定的烟草花叶病毒基纤维
图4 TMV纤维表面原位合成Pd-Pt合金及其电催化性能。

 

综上所述,作者通过理性设计,在蛋白界面间引入共价网络,构建了超长、超稳定的TMV纤维结构,为其它纳米功能材料的合成提供良好的生物模板。这项研究提出了改造现有生物模板的新策略,同时为构建生物功能材料带来了新的启示。

 

全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.202008670

相关新闻

微信
微信
电话 QQ
分享本页
返回顶部