基于不对称功能化的蛋白质纳米结构的多级有序组装

Protein nanostructures (PNS), as a category of unique natural nanomaterials, are showing intriguing potentials in the fields of nanocontainers, molecular imaging, biosensing, tissue repair, etc. A fundamental problem in the PNS studies is how to assemble multiple different PNS into ordered super structures. In recent years, relatively simple symmetric or repetitive PNS have been successfully constructed. Assembling proteins into ordered hierachical structures without repetition would endow PNS with much higher complexity and addressibility, but remains a great challenge. Here we plan to develop a strategy for ordered assembly of hierachical PNS with the nanocage of Listeria innocua Dps (DNA binding protein from starved cells) and the nanoring of human PCNA (proliferating cell nuclear antigen) as building blocks by using our previously-established method for monofunctionalization of PNS, mechanisms of natural biomolecule recognition and the unique properties of inorganic nanoparticles. It will be achieved to artificially control the the number and the orientation of the blocks during the assembling process. Furthermore, distance-dependent multivalent biomolecule interaction will be investigated in virtue of the ordered hierachical PNS. This project is expected to offer an effective route for the fabrication of ordered complex PNS and to inspire the breakthrough of PNS applications.

蛋白质纳米结构(protein nanostructure, PNS)作为一类独特的天然纳米材料，在纳米容器、分子影像、生物传感、组织修复等领域表现出了诱人的研究价值和应用潜力。如何把多个不同的PNS有序地组装起来，是PNS研究与应用的一个基本问题。近年来人们成功构建了较为简单的对称或重复性PNS。控制蛋白质组装成非重复、有序的超级结构，将赋予PNS更高的复杂性和空间编码能力，但目前尚面临很大技术挑战。本项目以李斯特菌Dps纳米壳和人增殖细胞核抗原纳米环为构筑单元，利用我们前期发展的PNS单功能化策略，借鉴天然生物分子的识别机制并辅以无机纳米颗粒的独特性能，实现PNS组装过程中对构筑单元数目和空间取向的人为操控，发展一种PNS的多级有序组装策略；借此平台，探索生物大分子多价相互作用的距离依赖效应。本项目将为复杂有序PNS的构建开辟一条行之有效的途径，也为PNS的突破性应用提供有益借鉴。

生物体中存在各种精巧的蛋白质纳米结构（如管状、笼状、层状结构），人们也已能够通过计算机辅助设计获得类似天然的蛋白质纳米结构。蛋白质纳米结构在纳米容器、分子影像、生物传感、组织修复等领域表现出了重要的研究价值和应用潜力。蛋白质纳米结构的有序地组装，是其研究与应用的一个基本问题。本项目根据申请书中提出的学术思想，实现了Dps蛋白质纳米笼的表面单功能化，进而以金纳米颗粒为粘合剂，实现了蛋白质纳米结构的多层级可控组装；建立了在蛋白质纳米笼内进行无机材料矿化的方法，从而赋予蛋白质纳米笼不同的功能性；基于蛋白质纳米结构的可控组装，针对生物分子识别中的协同效应这一重要科学问题，以RGD肽与整合素（肿瘤细胞表面高表达的特异性抗原）间的相互作用作为模型，对Dps蛋白质纳米笼表面的生物分子识别元件进行了不同排布模式（数目、间距、取向）的理性设计和改造，并揭示了异于常规认识的排布模式依赖的分子识别与靶向作用的规律。上述研究所发展的组装策略可拓展到其它蛋白纳米结构与化学合成的纳米材料的组装控制上，所构筑的复合离散蛋白质纳米结构可以作为研究生物多重效应的技术平台，为疫苗、靶向载体、多功能生物纳米器件的人工设计和构建提供了重要参考依据。