物質學院鐘超課題組在利用模塊基因方法設計多功能淀粉樣蛋白材料方面取得新進展

ON2019-04-03文章來源 物質科學與技術學院CATEGORY新聞

我校物質學院材料和物理生物學研究部鐘超課題組在利用模塊基因方法設計包含多個結構域淀粉樣蛋白纖維材料以及在研究結構域如何影響蛋白的自組裝和功能特性方面取得重要進展。最近,該項成果以“Modular Genetic Design of Multi-domain Functional Amyloids: Insights into Self-assembly and Functional Properties”為題,在《Chemical Science》上在線發表。

天然蛋白質分子通常由多個蛋白質結構域以模塊化的方式組成,其中結構域的結構和功能,以及它們的排列影響著蛋白質的自組裝。工程基于蛋白質的分子材料可以模仿甚至超越其天然的蛋白特性。通過合理設計蛋白質分子序列,使用模塊化策略構建功能性淀粉樣蛋白,為定制具有特定結構和功能的分子材料提供了可能,為工程新的多功能分子材料創造了機會。盡管這方面的研究目前已取得了一些進展,但融合的結構域模塊是如何影響淀粉樣蛋白的自組裝和功能特性并不清楚,因此需要更深入地了解融合的結構域如何影響淀粉樣蛋白的穩定性、形態、自組裝動力學、機械性能以及功能等性質,這些研究對于推進未來以淀粉樣蛋白為基的納米技術或分子材料的應用非常重要。

該研究以大腸桿菌生物被膜中的Curli纖維為模型,系統地研究了融合基因模塊對CsgA的組裝動力學和功能的影響。實驗設計主要以來自大腸桿菌生物被膜蛋白的淀粉樣蛋白CsgA為核心,以一個或兩個基因模塊為側翼融合功能域,包括來自環狀芽孢桿菌幾丁質酶的幾丁質結合域(CBDs)和貽貝足蛋白(Mfps)。研究發現融合的功能域并沒有破壞CsgA典型的β-sheet二級結構,但確實影響了所得到的融合蛋白纖維的自組裝速率、形態和剛度:長度方面,融合蛋白越多會導致CsgA纖維長度越短;剛度方面,融合蛋白結構域中的二級結構β-sheet傾向于提高楊氏模量,而α-helix或者隨機卷曲結構會降低楊氏模量。

此外,含有CBD結構域的CsgA纖維表現出更高的幾丁質結合活性,但是融合蛋白CBD-CsgA-Mfp3的幾丁質結合能力明顯低于Mfp5-CsgA-CBD。研究人員推斷這是由于其分子未能正確折疊導致的,結合分子動力學的建模最終證實了這一推斷。該研究為模塊基因策略構建多結構域的功能性淀粉樣蛋白提供了新的理解,為未來設計基于淀粉樣蛋白的功能分子材料奠定了基礎。

該論文第一作者是我校物質學院2016級博士研究生崔孟奎,2013級碩士研究生锜琦(已畢業)、麻省理工學院博士后Thomas Gurry為共同第一作者,通訊作者是物質學院材料和物理生物研究部的鐘超教授,上科大是第一完成單位。此外,中科院上海有機化學研究所生物交叉中心劉聰教授課題組,米蘭理工大學的Francesco Briatico Vangosa教授以及麻省理工學院的Timothy K.Lu教授也參與了該項研究。上科大物質學院分析測試平臺,中科院上海有機化學研究所生物交叉中心,國家蛋白質科學研究上海設施,以及中科院上海光源為材料表征給予了大力支持。該研究得到了國家自然科學聯合基金項目、國家自然科學基金面上項目以及上科大科研啟動基金的支持。

文章鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/sc/c9sc00208a#!divAbstract

基因模塊化構建基于CsgA的功能性淀粉樣蛋白



(a)原子力顯微鏡表征CsgA及其融合蛋白的動態自組裝過程中纖維形貌變化(b)分子動力學模擬CsgA及其融合蛋白的動態自組裝