适用于空间精准寻址的多肽自组装通用模块的研究

DNA origami is one kind of successful shows that human beings can control the self-assembly in life. Due to the larger combination number of 20 kinds of amino acids than that of the only 4 kinds of nuclear bases, de novo peptide self-assembly technique holds much more potential. However, compared with DNA origami, de novo peptide self-assembly is still in its infant stage for constructing nanostructures with precise space addressing capability. With the aim prepare the highly ordered bio-nano complexed materials, this project will make use of the protein crystal bank and molecular simulation techniques, and construct a general modular tool box for peptide de novo peptide self-assembly by measuring and calculating binding constants and orthogonality; And prepare multifunctional fused proteins with the complementary and orthogonal pairing capacities by optimizing the expressing conditions; And in combination with the “mortise-tenon joint” principle recently discovered by our research group, we will try to precisely align both proteins and nanoparticles with different functions according to preset spatial coordinates, and produce bio-nano complexed structures within different functionalities; Finally, we will try to figure out the value of these nanostructures in the bio-interdisciplinary researching field by digging out their advanced functions and biological effects.

DNA折纸术是人为操控生命自组装的一种成功展示。由于二十种氨基酸比四种碱基具有更大的组合度，所以理论上人工设计的多肽自组装技术具有更大的发展潜力。然而在精确的空间寻址能力方面，相比DNA折纸术，人工设计的多肽自组装研究仍处于一个初级阶段。为此，本项目以制备高度有序的生物纳米复合材料为目的，拟利用蛋白晶体库与分子模拟技术，通过对结合常数与正交性能的测算，构建出适合人工设计多肽自组装的通用模块工具包，优化表达出可正交互补配对的多功能融合蛋白，结合本研究组近期发现的“榫卯链接”原理，按照预先设定的空间坐标位置，将不同蛋白质与功能纳米颗粒进行精准排列组合，制备出不同功用的生物纳米复合材料，并通过深入研究其高级功能与生物效应，例证其在生命交叉学科领域研究的应用价值。

与核苷酸相比，氨基酸种类丰富，具有优越的多用途的物理化学性质，是生物形成功能性结构的必然选择。氨基酸简单排列即可构成多样化的肽进而组装成蛋白质，这些蛋白质已经被成功地设计成有用的生物功能制剂。然而，改变短肽固有性质，构建功能性模块以及赋予其不同的生物活性具有挑战性。本研究基于短肽序列设计了一批功能多样的纳米结构，并在生命科学的交叉领域进行了初步应用。通过序列设计动态研究自组装及不同生物分子的共组装过程，为开发新型的细胞成像和共振能量转移荧光探针提供了可能性。另一方面，多肽分子与金属离子的相互作用可以用于功能性金属纳米颗粒的合成。抗菌肽和银纳米颗粒都具有取代抗生素的潜力，使得肽-银纳米颗粒的细胞毒性显著降低，且稳定性增强。对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和短小杆菌的抑菌率均达到90%以上。此外，淀粉样蛋白核心肽序列在疏水液固界面上的自组装研究有助于加深对蛋白/肽聚集机制的认识，可应用于相关疾病的早期诊断和临床治疗。