利用合成生物学构建基于羧酶体外壳的可控自组装纳米蛋白笼

羧酶体是一种独特的细菌微区室，由半透性蛋白质外壳封装核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶和碳酸酐酶组成。羧酶体的半透性外壳由五聚体，六聚体和三聚体三种基本结构单元组成。数以千计的基本结构单元可以自发有序地组装形成类似病毒衣壳的正二十面体结构。羧酶体的自组装特性使其成为极具潜力的蛋白纳米笼，不仅可用于定向构建纳米生物反应器，还可作为运载平台递送目标蛋白或其他大分子。

近期，河南大学王强教授团队联合英国利物浦大学刘鲁宁教授团队开发了基于羧酶体外壳的自组装纳米笼工具包。这一创新工具包利用了Coiled-Coil与SpyTag/SpyCatcher两套特异互作肽段系统，通过调整互作肽段在羧酶体外壳基本结构单元上的锚定位点，实现定向封装目标蛋白至羧酶体内侧或锚定至羧酶体外壳表面（图1）。

图1.基于羧酶体外壳的自组装纳米笼工具包

为了提升外源蛋白的装载效率，研究人员首先选取羧酶体外壳中占比最高的六聚体结构单元CsoS1A蛋白作为定位肽段的锚定位点。随后，重新设计CsoS1A蛋白的结构,生成CsoS1A^P蛋白，使得原先暴露在羧酶体壳外的N末端与C末端均能朝向羧酶体壳内侧，由此获得四个不同朝向的锚定肽插入位点。将两组互补肽段分别融合至这四个锚定位点，获得了16种融合有锚定肽段的羧酶体外壳表达质粒。通过在大肠杆菌中逐一表达这16种羧酶体外壳突变体，发现其中11种插入方式不影响外壳的正常组装。

图2. 16种融合有锚定肽段的羧酶体外壳的卡通模型

为了进一步验证这一技术的实用性，研究人员采用绿色荧光蛋白(GFP)作为报告蛋白，研究人员借助共聚焦荧光显微镜与免疫印迹技术验证了互补锚定肽段可以介导GFP分子与羧酶体外壳共定位。并且系统分析比较了11种羧酶体外壳锚定体系的装载效率。与研究团队早期鉴定到的内源性靶向定位肽CsoS2-C相比,这项研究所开发的11套由互补肽段介导的锚定系统具有更高的装载效率。更重要的是，通过选择特定的锚定系统，可以精确调控羧酶体纳米笼装载外源蛋白的方式与装载量。

该研究构建了一系列基于羧酶体外壳的纳米笼锚定系统，实现了外源蛋白的可控高效装载。这些新型纳米笼组建的工具包有望应用于各种生物技术和生物医学领域，以构建高性能纳米生物反应器或药物与特定生物大分子递送系统。

该研究成果于2024年2月7日发表在国际学术期刊ACS Nano。河南大学与利物浦大学联合培养博士后李天佩为文章的第一作者，利物浦大学刘鲁宁教授与河南大学王强教授为文章共同通讯作者。研究得到英国皇家科学院、生物科技及生物科学研究理事会、利华休姆信托基金会、河南省创新研究团队计划、中国国家留学基金委、中国国家自然科学基金和中国博士后科学基金会的资助。