2019-07-11 08:13:01
设计师蛋白质在矿物表面形成线和格子

7月11日发表在“自然”杂志上的这项研究的目的是通过在蛋白质中的氨基酸模式和晶体原子之间创建精确匹配,设计人工蛋白质在晶体表面自组装。对这些相互作用进行编程的能力可以设计具有定制颜色,化学反应性或机械性质的新仿生材料,或者用作纳米级过滤器,太阳能电池或电子电路的支架。

“生物学具有惊人的能力,可以将物质从原子尺度组织到蓝鲸,”联合第一作者Harley Pyles说,他是威斯康星大学医学院蛋白质设计研究所的研究生。 “现在,使用蛋白质设计,我们可以创造从原子到毫米长度组合的全新生物分子。在这种情况下,云母 - 一种天然存在的水晶 - 就像一个大的乐高底板,我们正在组装新的蛋白质结构。“

新矿物结合分子的设计灵感来自与冰相互作用的蛋白质。在分子尺度上,冰是平坦的并且包含原子精确的刚性水分子图案。在自然界中,蛋白质与这些模式相匹配,使它们能够粘在冰上。

该团队使用计算分子设计来设计表面具有定制电荷模式的新蛋白质,就好像它们是纳米尺寸的乐高积木与云母底板完美匹配。将编码这些设计蛋白的合成基因置于细菌内,然后在实验室中大量生成蛋白质。

研究人员发现,不同的设计在云母表面形成了不同的图案。通过重新设计部分蛋白质,该团队能够生产蜂窝状晶格,在这些晶格中,他们可以将孔的直径数字调整几纳米,这大约是单个DNA双螺旋分子的宽度。

“这是蛋白质 - 材料界面研究的一个里程碑,”华盛顿大学医学院生物化学教授,该研究的共同高级作者,IPD主任大卫·贝克说。 “我们通过设计自组装成对齐的纳米棒,精确的六角形晶格和精细的单分子宽纳米线的单元,实现了前所未有的有序度。”

这项研究是通过使用原子力显微镜实现的,原子力显微镜使用微小的针来绘制分子表面,就像记录播放器的针在黑胶唱片的凹槽中读取信息一样。 AFM结果表明,蛋白质形成的结构受到设计与云母表面相互作用之间的微妙平衡以及只有在大量蛋白质协同作用时出现的力量才能控制,如河流上的原木。

“尽管我们设计了特定的原子级相互作用,我们得到这些结构,部分是因为蛋白质被水挤出并被迫包装在一起,”PNNL材料科学家兼联合主任James De Yoreo说。 NW IMPACT是PNNL与威斯康星大学共同开展的一项研究项目,旨在推动材料的发现和进步。 “这是出乎意料的行为,表明我们需要更好地了解水在分子级系统中排序蛋白质中的作用。”

能够从头开始制造功能性蛋白质细丝和格子也可以产生完全新颖的材料,这与自然界中发现的不同。该发现可能导致用于光伏或能量存储应用的合成半导体和金属纳米颗粒电路的新策略。据共同第一作者,PNNL的博士后研究员张帅说,或者,蛋白质蜂窝可以用作极其精确的过滤器。 “毛孔小到足以将病毒从饮用水中过滤掉或从空气中过滤掉微粒,”张说。

美国能源部科学办公室支持蜂窝晶格形成蛋白的设计和合成,AFM成像和分析得到美国能源部支持的能源前沿研究中心综合科学中心的支持。蛋白质纳米棒和纳米线的设计和合成得到了IPD研究礼品基金,迈克尔逊医学研究基金会和蛋白质设计倡议基金的支持。 AFM成像协议的开发得到材料合成和模拟跨尺度的支持,这是PNNL的内部资助计划。

研究人员创造了合成蛋白质,以橙色显示,在云母原子表面形成蜂窝状结构,此处显示为棕褐色球体。

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