牟昀博士Nature发表里程碑成果：世界首个蛋白质-DNA生物材料

生物通报道  能够定制设计出诸如蛋白质和DNA一类的生物材料，为研究人员开辟了几十年前难以想象的技术可能性。例如，由DNA构成的合成结构有朝一日能够用于将癌症药物直接传递到肿瘤细胞中，及可以设计出定制蛋白来特异地攻击某类病毒。

尽管研究人员已经成功制造出了由DNA或蛋白质单独构成的这样的结构，近期加州理工学院（Caltech）的一个研究小组却称，他们第一次构建出了由蛋白质和DNA构成的合成结构。将两种分子类型融合到一种生物材料中为许多的应用打开了大门。相关研究论文发布在9月2日的《自然》（Nature）杂志上（延伸阅读：顾臻博士权威期刊：开发CRISPR-Cas9新型载体）。

论文的第一作者是Caltech生物和生物工程系的牟昀（Yun (Kurt) Mou）博士，其早年毕业于国立台湾大学。牟昀说，多组分材料具有许多优势。“如果你的材料是由几种不同类型的元件构成，它可以具有更多的功能。例如，蛋白质有非常多的功能；可以利用它来做许多事情，诸如蛋白质互作或作为一种酶来加速反应。DNA则可以很容易地编程为各种大小和形状的纳米结构。

但你要如何开始制造出像蛋白质-DNA纳米线（nanowire）这样前所未见的材料？

牟昀和Caltech生物和生物工程系生物与化学教授Stephen Mayo实验室的同事们一起，一开始采用计算机程序设计出了作为杂化材料的组成部分，可以最好地发挥作用的蛋白质和DNA类型。

“可以采用一种试错法组合一些东西看看会产生什么来形成材料，但更好、更有效的方法是，你可以首先预测出这种材料的样子，然后设计出一种蛋白来形成这种材料，”他说。

研究人员将他们想获得的蛋白质-DNA纳米线的特性输入到实验室开发的计算机程序中；这一程序随后生成了可以生成所需材料的一条氨基酸和氮碱的序列。

然而，牟昀说成功制造出一种杂化材料并非就是将一些特性插入到计算机程序那么简单。尽管计算机模型提供了序列。研究人员还必须彻底地检查这一模型，以确保生成的序列有意义；如果不是，研究人员必须向计算机提供可用于校正这一模型的信息。“因此最后，你选择了你和计算机都赞同的序列，你可以在物理上混合指定的氨基酸和DNA碱基来形成纳米线。”

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生成的序列是存在于自然中蛋白质-DNA结合物的人工版本。在基因表达的初始阶段即转录过程中，一段DNA序列首先转变为RNA。为了吸引将DNA转录为RNA的酶，转录因子必须首先结合DNA的蛋白质结合结构域。

利用计算机程序，研究人员设计出了一段DNA序列，其包含许多隔一定距离的蛋白质结构域。他们随后选择了自然与这一特异蛋白质结合位点结合，来自果蝇的叫做Engrailed的转录因子。然而，在自然界中，Engrailed只会将自身附着到DNA的蛋白质结合位点上。为了创建出由附着在一条连续DNA链上的连续蛋白质肽链构成的长纳米线，研究人员不得不改造这一转录因子，让它具有一个位点使得Engrailed也能够协调结合邻近蛋白。

牟昀说：“实质上，这有点像赋予了这一蛋白两只手而非一只。抓住DNA的这只手很简单，因为它是自然所提供的，但需要添加另一只手来紧紧抓住另一个蛋白。”

这一新蛋白质-DNA纳米线另一个独特的属性就是，它采用了共组装（coassembly）——将蛋白质元件和DNA元件添加到溶液中就会形成这一材料。尽管以往曾构建出由DNA及后添加入的蛋白质构成的材料，这是第一次利用共组装类生成杂化材料。这一属性对于这种材料在医学或工业中的未来使用极为重要，因为分别提供两组元件，然后混合可随时随地生成纳米线。

这一研究发现是建立在Mayo实验室早期研究工作基础上，1997年Mayo构建出了第一个人工蛋白，尤其创立了计算蛋白质设计领域。具备构建合成蛋白质的能力，研究人员可以开发出具有新性能和功能的蛋白质，例如靶向癌症的治疗蛋白。构建出共组装蛋白质-DNA纳米线是这一领域的另一个里程碑成果。

“我们早期的工作主要集中于设计可溶性的蛋白质系统。这项新研究将我们的研究活动扩展到了纳米级混合生物材料领域，”Mayo说。

牟昀说，尽管开发这种新型生物材料尚在极早期阶段，这种方法具有许多有前景的应用，有可能改变未来的研究和临床实践。

“下一步，我们将探索我们新材料许多的潜在应用。可以把它纳入到一些方法中将药物传送到细胞内——构建出只与一种细胞类型如癌细胞上某一生物标志物结合的靶向疗法。我们还能够将这种蛋白质——DNA纳米线理念扩展为可用于基因治疗应用的蛋白质-RNA纳米线。由于这是一种全新的材料，有可能存在更多我们甚至都没想到的应用，”牟昀说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Computational design of co-assembling protein–DNA nanowires

Biomolecular self-assemblies are of great interest to nanotechnologists because of their functional versatility and their biocompatibility1. Over the past decade, sophisticated single-component nanostructures composed exclusively of nucleic acids2, 3, 4, 5, peptides6, 7, 8 and proteins9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 have been reported, and these nanostructures have been used in a wide range of applications, from drug delivery16 to molecular computing17. Despite these successes, the development of hybrid co-assemblies of nucleic acids and proteins has remained elusive. Here we use computational protein design to create a protein–DNA co-assembling nanomaterial whose assembly is driven via non-covalent interactions. To achieve this, a homodimerization interface is engineered onto the Drosophila Engrailed homeodomain (ENH), allowing the dimerized protein complex to bind to two double-stranded DNA (dsDNA) molecules. By varying the arrangement of protein-binding sites on the dsDNA, an irregular bulk nanoparticle or a nanowire with single-molecule width can be spontaneously formed by mixing the protein and dsDNA building blocks. We characterize the protein–DNA nanowire using fluorescence microscopy, atomic force microscopy and X-ray crystallography, confirming that the nanowire is formed via the proposed mechanism. This work lays the foundation for the development of new classes of protein–DNA hybrid materials. Further applications can be explored by incorporating DNA origami, DNA aptamers and/or peptide epitopes into the protein–DNA framework presented here.