自組裝蛋白質(zhì)復(fù)合物可以為納米結(jié)構(gòu)提供支架
當(dāng)血紅蛋白僅經(jīng)歷一個(gè)突變時(shí),這些蛋白質(zhì)復(fù)合物彼此粘附,堆疊像樂高積木形成長(zhǎng)而硬的細(xì)絲。這些細(xì)絲反過來延長(zhǎng)了鐮狀細(xì)胞病中發(fā)現(xiàn)的紅細(xì)胞。50多年來,這是唯一已知的教科書例子,其中突變導(dǎo)致這種細(xì)絲形成。根據(jù)Weizmann科學(xué)研究所結(jié)構(gòu)生物學(xué)系的Emmanuel Levy博士及其小組的研究,在進(jìn)化過程中,樂高式組裝應(yīng)該相對(duì)頻繁地形成。這種組裝方法可以是常見的,還是很容易重現(xiàn)?他們的答案最近發(fā)表在“自然”雜志上,可能對(duì)生物學(xué)研究和納米科學(xué)產(chǎn)生影響。
血紅蛋白和許多其他蛋白質(zhì)復(fù)合物是對(duì)稱的:由相同的單位組成。并且由于相同的單位是由相同的基因產(chǎn)生的,因此每個(gè)基因突變?cè)趶?fù)合物中重復(fù)多次。產(chǎn)生粘性斑塊并在復(fù)合物的相對(duì)側(cè)重復(fù)的突變可誘導(dǎo)蛋白質(zhì)堆疊成長(zhǎng)蛋白質(zhì)纖維。與類淀粉樣蛋白質(zhì)纖維不同,這些堆疊中的復(fù)合物不會(huì)改變形狀或展開以便組裝。
發(fā)生粘性是因?yàn)橥蛔內(nèi)〈送ǔ橛H水性的“愛水”的氨基酸 - 具有疏水性 - “水憎”的氨基酸。在蛋白質(zhì)移動(dòng)的水環(huán)境中,這些蛋白質(zhì)上的疏水區(qū)域優(yōu)選彼此相互作用,如水中的泡沫氣泡。
在他們的實(shí)驗(yàn)中,Levy和他的團(tuán)隊(duì),包括Hector Garcia-Seisdedos,Charly Empereur-Mot(現(xiàn)在在巴黎國(guó)立藝術(shù)學(xué)院和Métiers音樂學(xué)院)和Weizmann研究所的化學(xué)研究支持部門的Nadav Elad,開始時(shí)對(duì)稱蛋白質(zhì)復(fù)合物由八個(gè)相同的單位組成。他們只遵循一個(gè)改變蛋白質(zhì)的規(guī)則:用疏水的“粘性”轉(zhuǎn)換親水性氨基酸。
該團(tuán)隊(duì)最初創(chuàng)建了具有三種突變的蛋白質(zhì),兩種不同的粘性氨基酸,并在兩種情況下觀察到類似Lego的自組裝。進(jìn)一步調(diào)查,該團(tuán)隊(duì)對(duì)每個(gè)突變進(jìn)行了單獨(dú)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)人能夠自行生產(chǎn)長(zhǎng)絲。
那么,突變只做一件事 - 增加蛋白質(zhì)表面的粘性 - 可能誘導(dǎo)類似Lego的自組裝嗎?研究人員突變了另外11種已知形成對(duì)稱復(fù)合物的蛋白質(zhì) - 在所有中創(chuàng)造了73種不同的突變 - 并在面包酵母細(xì)胞中產(chǎn)生它們,添加熒光蛋白“標(biāo)簽”以實(shí)現(xiàn)其可視化。在這些變化中的30個(gè)中,研究人員觀察到表明自組裝的行為:其中大約一半已經(jīng)堆疊成長(zhǎng)絲,而另一半則以更無定形的方式聚集在一起,形成“焦點(diǎn)”。
如果研究人員在實(shí)驗(yàn)室中如此輕易地再現(xiàn)鐮狀細(xì)胞絲的現(xiàn)象,為什么在生物醫(yī)學(xué)研究中不再看到它?Levy提出了兩個(gè)答案:首先,研究小組發(fā)現(xiàn)天然對(duì)稱蛋白質(zhì)進(jìn)化為在其表面上具有額外的親水性氨基酸,從而最大限度地降低了自組裝的風(fēng)險(xiǎn)。其次,Levy說,研究人員可能會(huì)看到比他們想象的更多的樂高裝配:“現(xiàn)在研究人員知道他們可以如此容易地進(jìn)化,他們可能會(huì)更仔細(xì)地看待焦點(diǎn)并看到更多與生物學(xué)相關(guān)的樂高組裝。”
“此外,”他補(bǔ)充說,“細(xì)絲在酵母中很容易生產(chǎn),它們可能是納米結(jié)構(gòu)支架的良好候選者。我們的研究獨(dú)特之處在于它不需要復(fù)雜的計(jì)算設(shè)計(jì),我們也不需要掃描數(shù)千個(gè)的突變找到我們想要的人。我們只是開始與現(xiàn)有的結(jié)構(gòu),并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的策略,以誘導(dǎo)絲的組裝。”
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