论文信息

研究背景

天然蛋白质能够自组装形成种类丰富的对称纳米结构，例如四聚体、环状复合物以及病毒蛋白组装体等。这些结构具有明确的几何形态和多价相互作用位点，是构筑功能生物纳米材料的重要模块。然而，结构对称性在带来规则性的同时，也给精准功能化带来了挑战。组成同源蛋白复合物的亚基通常具有相同的氨基酸序列和等价的反应位点，因此传统的基因工程或化学修饰方法往往会同时修饰多个对称等价位点，很难在一个蛋白组装体上人为指定“几个位点、位于哪里、每个位点分别携带什么功能”。

文章概述

近日，Kun Zhou、Qiangbin Wang和Yonggang Ke等人报道了一种基于伴侣DNA支架的蛋白功能化策略。该方法利用DNA折纸结构高度可编程的几何形态和空间寻址能力，将预先设定的DNA功能位点转移到重组烟草花叶病毒（TMV）蛋白盘表面，实现了对功能位点数量、序列身份和空间排列的同时调控。

与传统DNA–蛋白杂化结构不同，这项工作中的DNA折纸主要作为一个临时空间模板。首先利用形状互补关系限定蛋白与DNA支架的相对位置，在蛋白表面建立预设的功能图案，随后再移除DNA折纸，使这些预先定义的功能位点保留在蛋白组装体上。

图文导读

图1. 环形DNA折纸介导蛋白表面功能位点的空间定位。

研究团队以重组TMV蛋白盘作为模型。该蛋白盘由相同衣壳蛋白亚基组装形成，周围分布大量等价的Strep-tag结合位点作为“黏结剂”。为区分这些原本没有独立“地址”的位置，研究人员设计了一个与TMV蛋白盘几何尺寸相匹配的环形DNA折纸结构，并仅在DNA环内侧预先指定的位置伸出含生物素的DNA连接臂。链霉亲和素一端结合DNA上的生物素，另一端识别TMV蛋白盘表面的Strep-tag，从而把DNA折纸上预先定义的位置映射到蛋白盘周围。

研究进一步比较了连接臂的形式与作用。值得注意的是，在这一形状互补的限域体系中，柔性的单链DNA连接臂获得了更集中的角度分布，更接近预设的位置关系。这说明空间定位精度不仅取决于DNA模板的几何设计，也受到局部连接单元柔性及长度匹配的影响。

图2. DNA模板对蛋白功能价数和空间排列的调控。

在建立空间定位机制后，研究团队改变DNA折纸环内侧连接位点的数量和排列方式，构建了C1、C2、C3、C4以及非对称三位点等多种模型。

随着连接位点增加，多个蛋白–DNA相互作用共同限制TMV蛋白盘的位置，使其更加稳定地位于DNA环内部，并在C4设计中达到约90% TMV蛋白盘捕获率。

更重要的是，转移到蛋白盘上的功能位点保持了DNA模板预设的空间几何关系。该方法不仅能够控制蛋白表面“有几个”功能位点，还能够进一步规定这些位点“在哪里”。蛋白组装体本身的结构对称性并未被破坏，但原本对称等价的功能位点可以被外部DNA模板信息重新定义。

图3. 蛋白组装体表面DNA位点的空间与序列特异性验证。

如果DNA折纸始终保留在最终结构中，那么所得体系本质上仍然是一个DNA–蛋白杂化复合物。因此，研究团队使用DNA链置换将连接臂从折纸支架上释放，而链霉亲和素–DNA复合物则继续保留在TMV蛋白盘表面。

研究人员进一步使用携带互补DNA序列的5 nm和10 nm金纳米颗粒进行选择性标记。不同空间位置上的DNA能够根据其序列身份招募相应的纳米颗粒，表明模板移除后，预设的空间位置和序列信息仍然同时保留。

由此，一个原本由相同亚基组成、具有对称等价位点的蛋白组装体，被赋予了具有独立分子身份的可寻址功能位点。

总结与展望

该研究建立了一种基于形状互补和临时模板信息转移的蛋白功能化策略。DNA纳米结构首先承担高精度空间寻址任务，定义功能位点的数量、位置和序列身份。完成信息转移后，DNA支架进一步被移除，而这些预设信息保留在蛋白组装体表面。

这一策略为解决同源对称蛋白组装体中不同位点难以区分的问题提供了新的设计思路，也拓展了DNA纳米技术在蛋白纳米材料工程中的作用方式。未来，通过改变DNA支架的几何形态、蛋白连接方式及功能模块，该方法有望进一步应用于具有不同尺寸和对称性的蛋白组装体，为可编程多价识别、蛋白材料组装及功能生物纳米体系的构建提供新的技术手段。

期刊介绍

Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由Wiley出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。