3D-structuur van kunstmatig ontworpen eiwitnanodeeltje TIP60 opgehelderd door cryo-elektronenmicroscopie

Zestig fusie-eiwitten van een pentamerisch Sm-achtig eiwit (PDB ID: 3BY7) en een dimeer MyoX-coil-domein (PDB ID: 2LW9) assembleren zichzelf tot een eiwit-nanodeeltjescomplex, TIP60 (Truncated Icosahedral Protein samengesteld uit 60-meer fusie-eiwitten ). Krediet: gereproduceerd van Icosahedral 60-meric poreuze structuur van ontworpen supramoleculaire eiwit-nanodeeltje TIP60, Ryoichi Arai et al., Chem. gemeenschappelijk., 2021, met toestemming van de Royal Society of Chemistry.

Nanodeeltjes en nanokooien zijn aantrekkelijke materialen die kunnen worden toegepast in kleurstoffen, katalysatoren en medicijnafgifte. Voor gebruik in de echte wereld is het noodzakelijk om een ​​groot aantal nanodeeltjes van uniforme grootte en vorm te produceren, maar tot nu toe zijn methoden voor het vormen van nanodeeltjes met behulp van metalen op grote schaal onderzocht en is de vorming van nanodeeltjes met een bepaalde vorm en grootte gerealiseerd . Het is echter niet eenvoudig om op atomair niveau een groep uniforme nanodeeltjes met dezelfde structuur te maken.

Een gezamenlijke onderzoeksgroep onder leiding van universitair hoofddocent Ryoichi Arai (Instituut voor Biomedische Wetenschappen en Faculteit Textielwetenschappen en Technologie, Shinshu University) en universitair docent Norifumi Kawakami (Faculteit Wetenschap en Technologie, Keio University) ontwikkelde een uniform en bruikbaar supramoleculaire eiwit-nanodeeltje symmetrisch zelf-geassembleerd uit fusie-eiwitten van een pentamerisch eiwitdomein en een dimeer eiwitdomein. Het is mogelijk om de functionaliteit te wijzigen door plaatsspecifieke mutagenese of chemische modificatie. Dit ontworpen eiwitnanodeeltje met een diameter van ongeveer 22 nm werd TIP60 (Truncated Icosahedral Protein samengesteld uit 60-meer fusie-eiwitten) genoemd omdat het wordt gevormd door zelf-assemblerende 60-mere kunstmatige fusie-eiwitten in de vorm van een voetbal.

In de huidige studie heeft de gezamenlijke onderzoeksgroep de gedetailleerde driedimensionale structuur van de TIP60 opgelost met behulp van cryo-elektronenmicroscopie met één deeltjes. Een grote hoeveelheid TIP60 werd tot expressie gebracht in E. coli en een gezuiverd monster werd waargenomen in de cryo-elektronenmicroscoopfaciliteit die wordt beheerd door het laboratorium van Prof. Masahide Kikkawa aan de Universiteit van Tokio. Door enkelvoudige deeltjesanalyse uit te voeren op basis van verkregen beeldgegevens, werd een driedimensionale kaart gereconstrueerd met een resolutie van 3,3 . Er werd onthuld dat TIP60 holle bolvormige nanodeeltjes vormt zoals ontworpen en een icosahedrale 60-merische structuur heeft met 20 driehoekige poriën met een rand van ongeveer 4 nm elk. Bovendien lichtte de groep in detail de karakteristieke driedimensionale structuur toe, zoals de linker die het pentameervormingsdomein verbindt en het dimeervormingsdomein bestaande uit een a-helix.

Wanneer een verbinding met een klein molecuul wordt toegevoegd nadat alleen het buitenoppervlak van TIP60 chemisch is gewijzigd met een hoogmoleculaire verbinding, komt de verbinding met een klein molecuul de interne holte binnen en wordt het binnenoppervlak chemisch gewijzigd. Met andere woorden, er werd gevonden dat de poreuze structuur van TIP60 als een filter werkt op moleculaire grootte, en dat de buiten- en binnenoppervlakken van TIP60 chemisch kunnen worden gemodificeerd met verschillende moleculen van verschillende groottes.

In de toekomst zal de groep kunstmatig ontworpen eiwitnanodeeltjes gebruiken door het ontwerp en de functionele modificatie van plaatsspecifieke varianten te bevorderen op basis van de driedimensionale structuur van TIP60 die in deze studie is toegelicht. Verwacht wordt dat dit zal leiden tot de ontwikkeling en toepassingen op het gebied van nanobiotechnologie en nanomaterialen, zoals het gebruik als nanocapsule voor een medicijnafgiftesysteem.

Het onderzoek is gepubliceerd in Chemische communicatie.