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近日，国际学术期刊PNAS（《美国科学院院报》）在线发表了中国科学院武汉病毒研究所与合作单位的最新研究成果。论文题为“A prototype protein nanocage minimized from carboxysomes with gated oxygen permeability”。该研究从头设计构建了一种氧气通透性可调控的人工蛋白纳米笼（protein nanocage，PNC）结构。
PNC广泛存在于生物界，是由蛋白质亚单位通过精确有序自组装形成的笼形功能纳米结构，其类型多样（如病毒衣壳、细菌微区室、铁蛋白超家族等），是蛋白、核酸、矿物质等生物活性分子储存、递送与代谢调节的关键载体，也能为细胞内特异性高效酶催化提供限域空间。从材料学的角度，PNC具有可遗传编码、空间可寻址、可生物合成和易于功能化等优势，为靶向诊疗、催化、mRNA递送、纳米光子学等应用提供了重要技术平台，受到广泛关注。除了开发利用天然的PNC，从头设计PNC一直是领域内科学家的梦想。尽管已有一些成功的尝试，但设计具有特定物质通透性的PNC仍然非常具有挑战。
蓝藻羧酶体外壳是由多种蛋白组成的类似病毒衣壳的PNC，具有物质透过选择性（碳酸氢根可透过而氧气不可透过）。受此启发，研究团队以羧酶体顶点蛋白CcmL五聚体为构筑单元，结合前期病毒衣壳蛋白-无机纳米颗粒杂合组装的研究基础，通过界面设计，以量子点为模板指导CcmL五聚体组装形成了直径12 nm的PNC。联合使用固体核磁共振和冷冻电镜技术解析其结构，发现该PNC为正二十面体对称结构，具有高度保守的五聚体间相互作用界面，并观测到蛋白与量子点的作用位点。这是国际上首次在蛋白-无机杂合组装体中获得原子分辨率的蛋白质结构。基于高分辨结构信息，他们利用亲和性的分子补丁封闭该PNC壳的孔洞，可逆地控制笼子的氧通透性，从而建立了一种门控机制，首次实现了对特定分子具有可控通透性的PNC的人工设计。CcmL PNC有望用于氧气敏感或响应性材料的存储、催化、输送、传感等方面，对类羧酶体人工细胞器的设计也有借鉴意义。此外，该研究建立的两种分别基于量子点和铱配合物的氧气传感策略也为相关生物学研究提供了新方法。
武汉病毒所博士生高瑞敏、精密测量科学与技术创新研究院博士生谭欢和中国科学技术大学李珊珊博士为该论文的共同第一作者，武汉病毒所李峰研究员、生物物理所、深圳理工大学张先恩研究员、精密测量科学与技术创新研究院杨俊研究员为论文共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、国家重点研发计划等项目的资助。
图1. 氧气通透性可调控的人工蛋白纳米笼的设计与构建。A) 量子点(QD)模板指导的CcmL PNC (QD@HCcmL) 的负染TEM表征。B) 联合使用固体核磁共振和冷冻电镜技术解析PNC的结构。C-E) QD (C)、QD@HCcmL (D)、QD@HCcmL (patched) (E) 的氧敏感性分析。