由杆状病毒衣壳蛋白组装而成的二维晶格的结构多态性

《Virologica Sinica》：Structural polymorphism of two-dimensional lattices assembled from baculoviral capsid proteins

蛋白纳米管和二维纳米片的可控组装及功能化研究。通过筛选和突变 baculoviral capsid 蛋白（如 HaCP 和 VP39），利用冷冻电镜技术解析了不同对称性（p1/p2）的纳米管结构及转化为二维纳米片的机制。发现 helical 纳米管通过冗余的 p2 对称界面实现柔性组装，纳米片则是展开的二维晶格，其稳定性依赖于关键接口（如 CG-loop 和 Zn-指结构）。进一步通过 SpyTag-SpyCatcher 系统成功将外源蛋白（如 Gc 和 EGFP）可控展示在双层纳米片表面，证实了该平台在生物相容材料开发中的潜力。

　　本研究探讨了蛋白质纳米管（PNTs）的结构特性及其在构建稳定二维纳米材料方面的潜力。蛋白质纳米管可以被视为具有p1或p2对称性的二维晶格被卷曲形成的管状结构。然而，以往尝试将这些基本单元重新组装为稳定的二维纳米材料时往往面临挑战。因此，研究人员从两种杆状病毒的衣壳蛋白出发，通过体外组装方法获得了不同类型的纳米管和纳米片，并利用冷冻电镜（cryo-EM）技术对其进行了结构分析。这些研究揭示了纳米管和纳米片之间的结构相似性，以及如何通过调整蛋白质结构来实现对纳米管尺寸的控制。

研究发现，纳米管和纳米片的结构特征与其表面的分子相互作用网络密切相关。在纳米管中，每个基本单元（如p-二聚体）通过多种接触界面相互连接，这些界面的稳定性对维持纳米管的整体结构至关重要。例如，HaCP纳米管的结构显示出平衡的相互作用网络，涉及四种不同的接触区域。相比之下，H11和H12纳米管的结构则表现出较低的某些接触界面的相互作用，如类型II界面的相互作用面积较小，这可能是其结构较为不稳定的原因之一。而H14和A14纳米管则利用了所有四种接触区域，从而保持了较高的结构稳定性。

在纳米管的形成过程中，蛋白质的结构特性起到了关键作用。例如，HaCP的C端区域在相互作用界面中具有重要的作用，某些突变（如R293C和C218A）显著影响了纳米管的结构稳定性。通过引入SpyTag-SpyCatcher系统，研究人员成功实现了纳米管表面的分子展示，使得这些纳米结构能够作为多功能平台用于生物相容性材料的开发。这种策略不仅适用于纳米管，还扩展到了二维纳米片的构建，如HaCP-CHS双层纳米片，其尺寸可以通过填充层间空间的蛋白质片段进行控制。

此外，研究还发现，二维纳米片的形成并非仅仅是纳米管的展开或误组装，而是一种独立的组装路径。通过冷冻电镜和冷冻电子断层扫描（cryo-ET）技术，研究人员能够更清晰地观察到这些二维纳米片的结构特征，包括其层间距离和分子排列方式。这些发现为理解纳米管如何通过不同的结构特性转化为二维纳米片提供了重要的理论依据，并揭示了二维纳米材料的构建过程中可能涉及的分子机制。

本研究还探讨了纳米管和纳米片的几何关系。通过分析二维晶格的展开方式，研究人员发现纳米管的形成依赖于特定的卷绕向量（wrapping vector）。这些向量连接了晶格中的两个点，决定了纳米管的形状和大小。不同的卷绕向量会导致不同的纳米管类型，如H14、H11、H12、A7和A10。研究进一步表明，这些纳米管和纳米片的结构可以被分为三个主要类别，每个类别对应不同的相互作用模式。例如，H14和A14属于第一类，具有完整的相互作用网络；H11和H12属于第二类，相互作用网络较为简化；A7和A10则属于第三类，缺少某些关键的相互作用区域。

通过对比不同纳米管和纳米片的结构特征，研究人员发现，纳米管的结构灵活性与其二维晶格的展开和卷绕过程密切相关。这种灵活性使得纳米管能够在不同的条件下形成多样化的结构，如单层或双层纳米管，以及二维纳米片。同时，研究还表明，二维纳米片的稳定性可能依赖于层间的相互作用，例如电荷相互作用或疏水相互作用。这种稳定性对于开发具有生物相容性的材料至关重要。

本研究还强调了蛋白质纳米材料在生物医学和材料科学中的广泛应用潜力。与传统的碳基纳米材料相比，蛋白质纳米材料具有更高的生物相容性和可降解性，这使得它们在生物体内更安全。此外，通过基因工程手段对蛋白质结构进行改造，可以进一步优化其功能特性，使其适用于更广泛的生物应用。例如，研究人员利用SpyTag-SpyCatcher系统成功将外源分子展示在纳米管和纳米片表面，为未来的生物传感器、药物输送系统和生物材料开发提供了新的思路。

研究结果表明，利用天然存在的柔性纳米管的相同构建单元，可以有效地获得稳定的二维纳米片。这不仅拓展了纳米材料的构建策略，也为开发新型的生物相容性材料提供了理论支持。通过系统分析纳米管和纳米片的结构特性，研究人员揭示了它们在分子层面的相互作用机制，并进一步探讨了如何通过调控这些相互作用来实现对纳米材料结构的精确控制。这种研究方法为未来的纳米材料设计和应用奠定了基础，具有重要的科学意义和实际应用价值。