對科學家來說，在納米層面上合成精確定義的結構組件（building block）非常具有挑戰性。但在生物系統中，這只是普通得不能再普通的常規任務。蛋白質可以在定向非共價鍵相互作用下組裝成更復雜的結構，以執行相應的生物學功能，例如肌動蛋白組裝成肌動蛋白纖維。不同於蛋白質組裝過程的複雜定向相互作用，DNA的組裝專一性更高，更容易預測，可以用於納米結構組件的合成。例如DNA雙螺旋中兩條寡核苷酸鏈，如果把它們分開並接到需要修飾的主體上，通過雙螺旋的自組裝就可以調控修飾主體的方向和排列。具有各向異性並通過DNA功能化的納米顆粒，能夠展現定向結合的特點。
美國西北大學的Chad A. Mirkin教授課題組的一個研究方向就是功能化蛋白質的組裝。最近，該課題組在J. Am. Chem. Soc. 上發表了新進展，通過少量寡核苷酸修飾蛋白質的表面，得到可定向結合的功能化蛋白質組裝體。具體來說，僅僅需要將少量互補寡核苷酸分別連接到蛋白質表面（每個蛋白質上下兩面連接同一種寡核苷酸），通過DNA的定向結合，就可實現蛋白質的定向組裝，形成一維蛋白質材料。這一策略具有通用性，對於一些表面無法容納太多DNA修飾的小型蛋白質的功能化具有重要的指導意義。
DNA修飾蛋白質實現蛋白質定向組裝
作者預測，使用一對短於4納米的寡核苷酸（10鹼基對），將其接到蛋白質表面，即可提供必要的驅動力來使DNA修飾的蛋白質定向組裝。為了驗證這一假想，他們設計了一個一維線性二價（bivalent）DNA-蛋白質結合體。所謂二價，指的是這種結構組件可以與另一個結構組件發生兩次結合。作者選擇的模型蛋白質是β-半乳糖苷酶（β-galactosidase，βGal），它具有D2對稱性，在之前的研究中發現它在DNA功能化過程中足夠穩定。作者對其進行了突變以獲得便於研究的蛋白質突變體βGal1D，βGal1D再與馬來酰亞胺封端的長度為10鹼基對的一對互補寡核苷酸（DNA A和DNA B）分別反應，得到兩種DNA-蛋白質結合體（βGal1D-DNA A和βGal1D-DNA B，下圖B）。對於蛋白質突變以及隨後的修飾過程，作者都進行了相關表徵。
βGal1D及其DNA功能化
接著，為了表徵DNA-蛋白質結合體的溫度相關的結合能力並瞭解其結合行為，作者採用了給體淬滅熒光共振能量轉移技術來進行熔化實驗。由於DNA鏈與蛋白質表面靠的非常近，作者認為這種面對面的結合會導致顯著上升且變窄的熔化轉變。實驗數據證實了這種推測，相較於遊離DNA雙螺旋的熔點（Tm）31.7 ℃和半峰全寬（fwhm）溫度11.8 ℃，DNA-蛋白質結合體Tm為41.5 ℃，fwhm溫度為8.1 ℃。
βGal1D-DNA溫度依賴的結合
然後作者使用透射電鏡（TEM）來檢測DNA修飾是否能夠得到定向二價組裝的蛋白質。作者推測這樣面對面的結合是熱力學決定的結果，因此DNA和蛋白質之間需要必要的時間和溫度來進行重組。作者發現，室溫下的組裝只能得到混亂的聚集體，於是他們又在低溫條件下進一步研究DNA-蛋白質結合體的組裝。冷凍電鏡（Cryo-TEM）、凝膠電泳、負染色透射電鏡確認了組裝體的方向符合作者設計，證實他們可以程序化控制DNA和蛋白質的定向相互作用。
βGal1D-DNA定向組裝及冷凍電鏡、負染色透射電鏡圖
總結
Chad A. Mirkin教授等人合成並表徵了DNA功能化蛋白質結構組件，可發生程序化受控的定向組裝，得到一維蛋白質材料。他們發現只需少量寡核苷酸即可實現這種定向組裝，為細胞外合成生物活性結構找到了一種可廣泛應用的新方法。同時，該研究也展現了超分子組裝策略對一維蛋白質材料合成的貢獻。
原文
DNA-Functionalized, Bivalent Proteins
J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 6776–6779, DOI: 10.1021/jacs.8b03403
導師介紹
Chad A. Mirkin
http://www.x-mol.com/university/faculty/386
（本文由葉舞知秋供稿）
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