蛋白是生命之基础,同时也是自然界缔造的持续进化的‘杰作’。蛋白作为基础分子普遍存在于病毒、细菌以及真核生物中。然而更加令人惊奇的是,不同于‘单打独斗’,蛋白更倾向于通过非共价相互作用自组装为规整排列的蛋白质组装体以行使其生物功能。相比于蛋白质单个亚基,高度协同的蛋白质组装体具有多种显著的优势。总体而言,为何蛋白在进化过程中选择聚合成自组装体可以归结为以下两个原因:1.蛋白质自组装体的整体结构可以提供更高的稳定性以及机械强度以满足保护细胞以及分子运动的需要。同时由于其超分子组装体的本质,在保证一定的强度的同时其又具有内在的可逆性并可对各种刺激做出响应。2.组装体的周期性规整结构可以提供集群效应以增强蛋白亚基自有的生物功能以及理化性质。因此以具有各种显著优势的天然蛋白质组装体为灵感,追寻自然的至高智慧以控制蛋白基元自组装为规整的纳米结构将为构建优异的生物材料提供可能。反过来,对于人造蛋白组装体复杂结构的深入研究以及对于组装过程的动力学/热力学控制将加深科学家对于天然蛋白质组装体功能机制的理解。近年来,随着超分子化学,计算机模拟以及结构生物学的发展,在克服蛋白质基元的复杂性与各向异性的基础上,各种控制蛋白质组装的策略不断涌现。然而简捷有效但同时高度可控地构建精细、高维的蛋白质组装体结构仍然是一项巨大的挑战。本论文的中心议题为在对于组装基元合理的空间设计与引入的超分子驱动力协同的基础上探讨建立一种构建高维蛋白质组装体的普适策略。具体来说,我们选择了GST(glutathione S-transferases)以及SMAC(second mitochondria-derived activator of caspases)为基础的组装基元。通过引入金属螯合作用以及主客体识别作用等超分子驱动力结合设计的‘V’型空间结构,我们成功构建了蛋白纳米环,蛋白质超级纳米线以及蛋白质螺旋等复杂的高维结构。1.精确控制蛋白自组装行为构建高度规整的蛋白纳米环蛋白质组装体优异的功能性均来源于其复杂但却高度规整的纳米结构。因此在构建人造蛋白质组装体这一研究领域中,首要的课题就是控制蛋白基元自组织为规整的形貌。近年来,各种各样的蛋白组装体包括一维的纳米线,二维的纳米环/纳米网格到三维的纳米笼/纳米晶格结构已经被构建出来。然而在在这些组装体系中,大部分无法对蛋白的组装行为作出十分精细的控制。少数的几种可以提供精细控制的组装策略却往往需要对蛋白表面进行大量的改性,这也使得其实验操作非常繁琐。在本章工作中,我们试图建立一种简捷、高效的精确控制蛋白组装行为的策略同时可控地构建高度规整的蛋白纳米环状结构。我们选择了具有C2对称性的GST酶蛋白作为组装基元,且将具有键合定向性的金属螯合作用作为驱动力。在设计阶段,为了提供蛋白成环的弯转趋势,我们将两对金属螯合位点设计为‘V’型结构。通过计算机模拟技术我们进一步研究了蛋白-蛋白间相互作用的各种模式,并在其中一种模式下发现蛋白表面间的非特异性相互作用与我们设计的金属螯合作用相互协同。因此在两种力的作用下,这种结合模式即为此体系特定的组装结合模式并可精确控制蛋白质的组装行为。原子力表征验证了我们所设计的组装机理并且观察到了高度规整的蛋白质纳米环的形成。值得注意的是,我们同时得到了在‘生长过程中’的半环结构。所有的半环结构都具有同样的曲率,表明他们最终将生长成为具有统一直径的整环。此现象进一步证明了GST蛋白是以高度可控的模式进行了自下而上的自组装。同时,针对蛋白界面间的非特异性相互作用进行调节,我们可以通过调整溶液中的离子强度进一步对蛋白环的直径进行操控。这一工作提供了一种新颖的设计组装策略并可为有效构建其他更加复杂的蛋白质超级结构提供灵感。2.基于主客体相互作用构建具有形貌多样性的自组装体系基于蛋白质组装的基本概念我们可以推知决定蛋白质组装体结构的两个决定性因素为:蛋白质组装基元的空间几何性质以及引入的超分子力。改变其中任何一个因素都会对蛋白组装的最终产物有重大的影响。延续第一章的工作,我们将金属螯合作用转变为基于CB[8]-FGG的主客体相互作用。首先为了实现将FGG配体分子定向修饰于任何期望的设计位点,我们合成了马来酸酐修饰的FGG分子。不仅仅局限于这一研究工作,该合成的FGG小分子可以作为一种普适的工具用以将FGG客体基元定向修饰于任何蛋白表面的任意位置。与前面一章中的工作相同,互成‘V’型结构的FGG分子仍然可以提供蛋白成环的趋势。然而空间几何因素并不能单独决定蛋白组装的行为。另外,不同于之前所用的刚性的金属螯合作用,此处引入的FGG尾巴具有一定的柔性,这也进一步增加了组装过程中的不确定性。与此同时,由于嵌于蛋白界面间的CB[8]分子较大,也进一步消除了上一章工作中参与协同控制蛋白质组装行为的界面间相互作用。因此在这一体系中为了构建蛋白质纳米环,我们参考了经典的环-线竞争理论。在低蛋白浓度的条件下,组装基元倾向于首尾相连形成蛋白质纳米环。而在高蛋白浓度条件下,组装基元更倾向于聚合为大尺寸的蛋白质纳米线状结构。原子力显微镜表征证实了蛋白质纳米环以及紧密堆叠的蛋白质纳米线状结构的形成。同时,通过调节蛋白/CB[8]的比例可以进一步为体系引入新的变化:在高蛋白浓度以及过量CB[8]分子的组装条件下,组装基元可以自组织为盘状的聚集体。且其中一些甚至可呈现阿基米德螺线结构。当将此CB[8]过量的组装体进行透析处理时,此组装体可以缓慢转变为均匀分散的纳米线结构。并且这些纳米线结构可以进一步组装为非常稳定的,具有惊人长度的‘超级纳米线’结构。据推测这种超级纳米线是在静电相互作用力以及主客体作用诱导下形成的。本章工作提出了一种调控蛋白质组装体形貌的方法并为构建智能的、动态的蛋白质自组装体系提供了可能的方向。3.设计构建蛋白纳米螺旋三维的纳米螺旋结构是一种非常令人神往的结构。例如DNA分子就因其双螺旋结构为人所熟知;胶原蛋白以及肌动蛋白也依赖于其螺旋结构以行使其生物学功能;甚至与阿兹海默病相关的淀粉样纤维蛋白也呈现螺旋结构。另外,目前为止人造蛋白质组装体领域还未成功构建出蛋白质螺旋结构。因此,设计构建蛋白质螺旋结构不仅会大大推动此领域的进步同时也会为天然蛋白质螺旋的机理提供深入的理解。然而构建蛋白质螺旋结构是非常艰巨的任务。首先,从俯视图来看蛋白质螺旋呈现了成环的趋势,然而从侧视图来看又必须同时满足沿着螺旋轴方向的生长。在本章工作中,通过结构筛选我们选择了SMAC蛋白作为组装基元。SMAC独有的‘V’型结构以及侧面的厚度使得其同时满足了构建螺旋的要求。我们进一步将两对金属螯合位点引入到SMAC呈‘V’型的长臂上以将设计的组装模式锚定下来。原子力显微镜表征显示SMAC形成了周期性规则排列的纤维状结构。进一步的原理分析发现可能由于空间位阻以及热力学因素,所设计的四组金属螯合位点并未同时参与作用。然而得到的SMAC纤维有着很强的进一步组装的趋势,并且其中一些可以进一步扭转缠绕成螺旋结构。虽然我们是通过间接的方法得到了蛋白质螺旋的结构。但是我们最初的结合合理的空间设计以及合适的驱动力的设计仍不失为一种非常有价值的策略。这种设计思想将在将来的工作中通过中结合计算机辅助的蛋白界面改性得以实现。