基于蛋白自组装仿生智能微体系的设计与研究

Natural life is a complex and accurate supramolecular assembling system formed by the spontaneous aggregation of various biological molecules. A study of self-assembly from micro to macro process has become one of the most important ways to develop novel materials and systems. To mimic natural biological microstructures, we attempt to construct a set of smart supramolecular assemblies based on the proteins with different structures and surface properties using the approaches including computational simulation, protein-protein docking-based virtual screening, site-specific modification (such as gene mutation/fusion or mild chemical reaction), and supramolecular techniques to generate multidimensional periodic protein arrays. On the basis of the high level protein assemblies, we can regulate their structures and functions via rational design and functionalization under external stimuli, which provides a scientific foundation to develop supramolecular smart biomimetic microsystems for biomedical applicaitons. The main objectives of this proposal are to (I) develop a variety of new strategies for protein self-assembly; (II) building high level protein assemblies ranging from one dimensional to three dimensional structures; (III) study the process and mechanism of protein assembly at micro/nanoscale; (IV) explore the applications of structural and functional regulations of protein assemblies in the related biological fields.

自然界的生命体是由各类生物分子通过不同层次的组装自发形成结构复杂而又精确的功能微体系组成。从微观至宏观，研究生命体的自组装现象，已成为发展新材料和新体系的重要途径之一。本课题以模拟生物微结构为导向，依据蛋白结构和表面性质，结合分子模拟和蛋白-蛋白对接虚拟筛选，利用基因突变/融合或温和化学反应等方法对蛋白质侧链基团实施选择性修饰，在蛋白界面特定区域引入非共价驱动力，运用超分子调控，构筑多层次、多维的蛋白质组装体。进一步以组装体高级结构为基础，通过蛋白质设计与功能化修饰，并利用蛋白或修饰分子的环境响应性，实现外界刺激下组装体结构与功能的调控，制备以蛋白为构筑基元的超分子仿生智能微体系，为生物医用材料的发展奠定基础。其主要目标包括建立多种蛋白自组装新策略，构筑由一维向多维拓展的蛋白组装体高级结构，研究蛋白质在微/纳米尺度上的自组装过程与机制，探索蛋白组装体结构与功能调控在生物学相关领域的应用。

自然界的生命体是由各类生物分子通过不同层次的组装自发形成结构复杂而又精确的功能微体系组成。从微观至宏观，研究生命体的自组装现象，已成为发展新材料和新体系的重要途径之一。本项目主要研究内容是以模拟生物微结构为导向，依据蛋白结构和表面性质，结合分子模拟和蛋白-蛋白对接虚拟筛选，利用基因突变/融合或温和化学反应等方法对蛋白质侧链基团实施选择性修饰，在蛋白界面特定区域引入非共价驱动力，运用超分子调控，构筑蛋白质组装体。通过蛋白质设计与功能化修饰，并利用蛋白或修饰分子的环境响应性，实现外界刺激下组装体结构与功能的调控，制备超分子仿生智能微体系。项目执行后，获得了以下重要研究成果：1. 运用蛋白质分子对接和基因工程定点修饰技术，实现了天然酶活性中心在别构蛋白中的精准构筑，模拟天然酶的催化功能，并利用蛋白质骨架的环境响应性别构效应可逆操控其催化活性，获得了钙离子和ATP响应的智能抗氧化硒酶（Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 13536；ACS Catal., 2017, 7, 1875）；2. 通过在谷胱甘肽硫转移酶（GST）的活性空腔中选择性化学修饰光响应变构的偶氮苯分子，利用偶氮苯与环糊精可逆的主客体复合，调控GST活性空腔的开启与关闭，获得超分子远程光调控的智能GST酶（ACS Catal., 2017, 7, 6979）；3. 利用静电诱导和葫芦脲8（CB[8]）三元复合主客体相互作用，分别操控SP1和GST蛋白的组装过程，结合蛋白质仿酶技术，构筑了具有抗氧化功能的纳米硒酶催化体系（Chem. Commun. 2016, 52, 4092），或通过在GST体系中融合钙离子响应的recoverin蛋白，实现了蛋白组装体的刺激响应性结构收缩，模拟类肌肉的纳米弹性微体系（Chem. Commun. 2016, 52, 2924）。4. 利用CB[8]与偶氮苯（Azo）、甲基紫晶（MMV）的三元复合作用，通过点击化学反应，制备了蛋白质或多肽的超双亲组装囊泡微体系，实现了药物分子的靶向运输和远程光控制的释放（ACS Appl. Mat. Inter. 2018, 10, 4603）。上述研究涉及蛋白质的组装过程及其结构与功能调控，获得了多种仿生智能微体系，为发展新型生物材料，揭示生命体现象的本质奠定了工作基础。