双面蛋白纳米材料的计算设计：实现各向异性功能化的新策略

研究人员针对传统对称性蛋白纳米材料结构单一、功能局限的问题，通过计算设计开发了具有双面异质结构的蛋白纳米颗粒（pD5）。该研究利用伪对称异源寡聚体构建模块，结合非对称蛋白界面设计，成功构建了可独立功能化的30亚基组装体（(ABC)5-(ABD)5），并通过RFdiffusion技术精确调控纳米颗粒形态。实验证实该材料能特异性共定位不同受体修饰的微球，为精准操控生物分子空间分布提供了新工具。

　　

在生物医学领域，蛋白质纳米材料因其优异的生物相容性和精准可编程性备受关注。然而，现有设计方法多局限于高度对称的组装结构，导致材料表面呈现各向同性分布，无法实现特定区域的选择性功能化。这种结构均一性严重限制了纳米材料在需要定向定位的应用场景中的潜力，例如免疫突触形成、靶向药物递送等需要同时操控多个生物实体的场景。

华盛顿大学（University of Washington）蛋白质设计研究所的研究团队在《Nature Materials》发表突破性研究，通过计算设计方法成功构建了具有双面异质结构的蛋白纳米材料。该团队创新性地将伪对称异源寡聚体（hetero-oligomeric）构建模块与不对称界面设计相结合，开发出具有两个独立可寻址面的30亚基组装体。这种被称为pD5-14的双面纳米颗粒不仅展现出惊人的热稳定性（可耐受95℃高温），还能通过遗传融合不同蛋白迷你结合剂（minibinder）实现特异性分子共定位功能。

研究采用了多项前沿技术：1）基于RPXdock的蛋白质对接技术构建初始框架；2）运用ProteinMPNN进行非对称界面序列设计；3）通过AlphaFold2（AF2）预测筛选稳定结构；4）利用RFdiffusion生成可调控的亚基延伸结构；5）结合冷冻电镜（cryo-EM，分辨率4.30?）和负染电镜（nsEM）验证组装体结构。实验采用大肠杆菌表达系统制备各组件，通过尺寸排阻色谱（SEC）纯化组装体。

双面D5蛋白纳米材料的计算设计

研究人员从先前报道的伪对称二十面体组件Crown_cs-1出发，通过重新设计C和D亚基间的非对称界面，成功构建了具有伪D5对称性（pD5）的双面纳米颗粒。关键创新在于将传统的对称二面体界面转化为非对称界面，使两个环状组件（(ABC)₅和(ABD)₅）只有在混合时才能组装。通过引入电荷排斥和空间位阻等负设计策略，有效抑制了同源组件的错误组装。

双面pD5纳米颗粒的尺寸形态调控

借助人工智能工具RFdiffusion，研究团队实现了对纳米颗粒结构的精确调控。通过"切割"C亚基特定环区并平移25-100?，配合25°旋转操作，设计出五种不同尺寸和形态的延伸结构。质量光度法（MP）测定显示pD5-14组装体分子量为1,151kDa，与理论值（1,252kDa）高度吻合。动态光散射（DLS）证实所有延伸变体均形成单分散颗粒，其中pD5_+50/25°-344的"弯曲支柱"结构尤其引人注目。

功能化双面纳米颗粒的共定位应用

为展示应用潜力，研究人员通过RFdiffusion重新设计了亚基N端朝向（pD5-14_rd47），使其能够展示IL-2Rβ结合剂Neo-2/15和4-1BB结合剂41bb_mb1。生物层干涉（BLI）证实双功能化纳米颗粒能同时结合两种受体，而对照组仅显示单一结合活性。流式细胞术和荧光显微镜分析显示，双功能化纳米颗粒使受体修饰微球的共定位率提升至6.9-9.0%，显著高于对照组（0.4-2.4%）。

这项研究突破了传统对称性设计的局限，建立了双面蛋白纳米材料的通用设计方法。通过整合计算建模与人工智能工具，实现了对纳米材料结构的原子级精确控制。特别值得注意的是，该平台允许六个独立亚基的差异化功能化，为构建多价生物分子工具提供了前所未有的灵活性。在应用层面，这种可编程的双面材料不仅可用于免疫治疗中的细胞共定位，还可拓展至酶级联反应、诊断检测等多个领域。研究展示的"结构-功能"精准调控范式，为下一代智能生物材料的开发指明了方向。