工程细菌生物合成复杂的蛋白质复合物

微生物中发现的蛋白质笼有助于其内容物经受住恶劣的细胞内环境——这一观察结果在许多生物工程中都有应用。东京工业大学的研究人员最近开发了一种创新的生物工程方法，利用转基因细菌将蛋白质笼结合在蛋白质晶体周围。这种细胞内生物合成方法可有效生产高度定制的蛋白质复合物，可作为先进的固体催化剂和功能化纳米材料。

在自然界中，蛋白质可以组装形成具有多种形状和用途的有组织的复合物。由于过去几十年生物工程取得的显着进步，科学家现在可以为特殊应用生产定制的蛋白质组件。例如，蛋白质笼可以限制作为目标化学反应催化剂的酶。同样，蛋白质晶体(由蛋白质重复单元组成的结构)可以作为合成具有暴露的功能末端的固体材料的支架。

然而，在蛋白质晶体表面掺入(或“封装”)外来蛋白质具有挑战性。因此，合成封装外来蛋白质组装体的蛋白质晶体一直难以实现。迄今为止，尚无有效的方法来实现这一目标，并且产生的蛋白质晶体的类型也有限。但如果细菌细胞机制就是答案呢?

在最近的一项研究中，包括TakafumiUeno教授在内的东京工业大学研究小组报告了一种新的细胞内方法，用于在蛋白质晶体上封装具有多种功能的蛋白质笼。他们的论文发表在《纳米快报》上，代表了蛋白质晶体工程的重大突破。

该团队的策略涉及对大肠杆菌进行基因改造，以产生两个主要组成部分：多角体单体(PhM)和修饰铁蛋白(Fr)。一方面，PhM在细胞内自然结合，形成经过充分研究的蛋白质晶体，称为多面体晶体(PhC)。另一方面，已知24个Fr单元结合形成稳定的蛋白质笼。

“铁蛋白已被广泛用作通过修饰其内表面和外表面来构建生物纳米材料的模板。因此，如果可以在单个细胞中同时进行Fr笼的形成及其随后在PhC上的固定，那么铁蛋白的应用细胞内蛋白质晶体作为生物混合材料将得到扩展，”上野教授解释道。

为了将Fr笼固定到PhC中，研究人员修改了Fr编码基因，使其包含PhM的α-螺旋(H1)标签，从而创建了H1-Fr。这种方法背后的原因是，PhM分子中天然存在的H1螺旋与H1-Fr上的标签显着相互作用，充当将外源蛋白结合到晶体上的“招募剂”。

研究小组利用先进的显微镜、分析和化学技术验证了他们提出的方法的有效性。通过各种实验，他们发现所得晶体具有核壳结构，即约400纳米宽的立方PhC核，覆盖着五六层H1-Fr笼。

这种功能性蛋白质晶体生物合成策略在医学、催化和生物材料工程中的应用前景广阔。“H1-Fr笼有潜力将外部分子固定在其内部以进行分子传递，”上野教授说。

“我们的结果表明，H1-Fr/PhC核壳结构，在PhC核心的外表面上展示H1-Fr笼，可以在纳米级水平上单独控制。通过在PhC核心和H1中积累不同的功能分子，-Fr笼，分层纳米级控制晶体可以构建用于先进的生物技术应用。”

该领域的未来工作将帮助我们实现生物工程蛋白质晶体和组装体的真正潜力。运气好的话，这些努力将为更健康、更可持续的未来铺平道路。

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