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近日，國際學術(shù)期刊PNAS（《美國科學院院報》）在線發(fā)表了中國科學院武漢病毒研究所與合作單位的最新研究成果。論文題為“A prototype protein nanocage minimized from carboxysomes with gated oxygen permeability”。該研究從頭設計構(gòu)建了一種氧氣通透性可調(diào)控的人工蛋白納米籠（protein nanocage，PNC）結(jié)構(gòu)。
PNC廣泛存在于生物界，是由蛋白質(zhì)亞單位通過精確有序自組裝形成的籠形功能納米結(jié)構(gòu)，其類型多樣（如病毒衣殼、細菌微區(qū)室、鐵蛋白超家族等），是蛋白、核酸、礦物質(zhì)等生物活性分子儲存、遞送與代謝調(diào)節(jié)的關鍵載體，也能為細胞內(nèi)特異性高效酶催化提供限域空間。從材料學的角度，PNC具有可遺傳編碼、空間可尋址、可生物合成和易于功能化等優(yōu)勢，為靶向診療、催化、mRNA遞送、納米光子學等應用提供了重要技術(shù)平臺，受到廣泛關注。除了開發(fā)利用天然的PNC，從頭設計PNC一直是領域內(nèi)科學家的夢想。盡管已有一些成功的嘗試，但設計具有特定物質(zhì)通透性的PNC仍然非常具有挑戰(zhàn)。
藍藻羧酶體外殼是由多種蛋白組成的類似病毒衣殼的PNC，具有物質(zhì)透過選擇性（碳酸氫根可透過而氧氣不可透過）。受此啟發(fā)，研究團隊以羧酶體頂點蛋白CcmL五聚體為構(gòu)筑單元，結(jié)合前期病毒衣殼蛋白-無機納米顆粒雜合組裝的研究基礎，通過界面設計，以量子點為模板指導CcmL五聚體組裝形成了直徑12 nm的PNC。聯(lián)合使用固體核磁共振和冷凍電鏡技術(shù)解析其結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該PNC為正二十面體對稱結(jié)構(gòu)，具有高度保守的五聚體間相互作用界面，并觀測到蛋白與量子點的作用位點。這是國際上首次在蛋白-無機雜合組裝體中獲得原子分辨率的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)?；诟叻直娼Y(jié)構(gòu)信息，他們利用親和性的分子補丁封閉該PNC殼的孔洞，可逆地控制籠子的氧通透性，從而建立了一種門控機制，首次實現(xiàn)了對特定分子具有可控通透性的PNC的人工設計。CcmL PNC有望用于氧氣敏感或響應性材料的存儲、催化、輸送、傳感等方面，對類羧酶體人工細胞器的設計也有借鑒意義。此外，該研究建立的兩種分別基于量子點和銥配合物的氧氣傳感策略也為相關生物學研究提供了新方法。
武漢病毒所博士生高瑞敏、精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院博士生譚歡和中國科學技術(shù)大學李珊珊博士為該論文的共同第一作者，武漢病毒所李峰研究員、生物物理所、深圳理工大學張先恩研究員、精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院楊俊研究員為論文共同通訊作者。該工作得到國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。
圖1. 氧氣通透性可調(diào)控的人工蛋白納米籠的設計與構(gòu)建。A) 量子點(QD)模板指導的CcmL PNC (QD@HCcmL) 的負染TEM表征。B) 聯(lián)合使用固體核磁共振和冷凍電鏡技術(shù)解析PNC的結(jié)構(gòu)。C-E) QD (C)、QD@HCcmL (D)、QD@HCcmL (patched) (E) 的氧敏感性分析。