我校物質(zhì)學(xué)院助理教授鐘超課題組和上海交通大學(xué)教授樊春海課題組在利用DNA納米折紙技術(shù)研究淀粉樣蛋白的自組裝行為及其機(jī)理方面取得重要進(jìn)展。3月27日,該項(xiàng)成果以“Directing Curli Polymerization with DNA Origami Nucleators”為題在《Nature Communications》上在線(xiàn)發(fā)表。

在細(xì)胞構(gòu)建絲狀結(jié)構(gòu)和纖維網(wǎng)絡(luò)中，最后結(jié)構(gòu)的形狀和功能一般是通過(guò)特定位置的成核蛋白成核來(lái)調(diào)控。如大腸桿菌生物被膜中的curli纖維，就是利用一種錨定在細(xì)菌表面的CsgB成核蛋白，通過(guò)誘導(dǎo)CsgA淀粉樣蛋白在細(xì)菌表面和細(xì)胞外聚合，形成具有重復(fù)的β折疊、結(jié)構(gòu)縝密的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。盡管已有諸多文獻(xiàn)描述生物被膜中CsgB作為成核蛋白在CsgA纖維生長(zhǎng)過(guò)程中扮演十分關(guān)鍵的作用，但是由于寡聚體形成過(guò)程的隨機(jī)性以及快速性，當(dāng)前的研究并不能直接觀(guān)測(cè)CsgB促進(jìn)CsgA形成寡聚體、甚至纖維的過(guò)程。因此，成核蛋白如何在單分子水平上調(diào)控纖維的自組裝行為以及更深層次的機(jī)制仍然是一個(gè)謎。

本研究利用DNA納米折紙技術(shù)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建形狀穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的三角形DNA折紙，并將成核中心修飾在該DNA折紙的頂端，得到了DNA折紙／成核中心復(fù)合物。通過(guò)將該復(fù)合物與CsgA單體共同孵育，從而使得CsgA單體在成核蛋白的誘導(dǎo)作用下，在DNA折紙的末端自組裝成一條蛋白纖維。利用原子力顯微鏡（AFM）和硫磺素（ThT）熒光檢測(cè)法，對(duì)比在有無(wú)成核蛋白的條件下納米纖維的自組裝動(dòng)力學(xué)，研究結(jié)果表明，DNA折紙上的成核中心會(huì)引發(fā)并促進(jìn)CsgA單體在成核位點(diǎn)優(yōu)先形成蛋白纖維。值得一提的是，本研究利用高速原子力顯微鏡（HS-AFM）首次清晰地觀(guān)測(cè)到CsgA單體在成核中心的自組裝過(guò)程。

此外，科研人員還觀(guān)察到一個(gè)有趣的現(xiàn)象：原纖維可以分別以遠(yuǎn)離（離開(kāi)模式）或走向成核劑（到達(dá)模式）的方式加速生長(zhǎng)。由此，研究人員提出成核蛋白可能在大腸桿菌生物被膜的形成過(guò)程可能起著兩種截然不同的作用：即作為成核位點(diǎn)或作為捕獲附近生長(zhǎng)的納米纖維的捕獲位點(diǎn)促進(jìn)纖維網(wǎng)絡(luò)的快速生長(zhǎng)。DNA折紙作為一組分子標(biāo)記，可以精確定位單個(gè)成核蛋白的位置，因此，甚至可以從集成測(cè)量中檢查和區(qū)分獨(dú)立的隨機(jī)成核事件。從本質(zhì)上說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)排除了分子自聚合可能造成的干擾，為研究蛋白質(zhì)成核蛋白的初級(jí)分子成核事件提供了一種有用的、可推廣的方法。這一技術(shù)可以用于評(píng)估生物學(xué)中與疾病相關(guān)的淀粉樣蛋白或者其他功能性淀粉樣蛋白在分子尺度的成核和自組裝機(jī)制。

因?yàn)檫@種修飾了成核蛋白的DNA納米結(jié)構(gòu)能原位定向地引發(fā)淀粉樣蛋白原纖維的自組裝，所以這一技術(shù)也為構(gòu)建新型的DNA折紙/功能性淀粉樣蛋白的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)提供了一種新的方法。鑒于DNA折紙和淀粉樣蛋白材料在納米技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，同時(shí)這些復(fù)合結(jié)構(gòu)結(jié)合了DNA折紙的可編程特性和功能淀粉樣蛋白的功能可調(diào)性，因此，這種通過(guò)成核蛋白誘導(dǎo)的復(fù)合結(jié)構(gòu)將在生物納米技術(shù)領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。

該論文第一作者毛秀海是鐘超和樊春海教授聯(lián)合指導(dǎo)的博士后（現(xiàn)任職上海交通大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究院），物質(zhì)學(xué)院的博士研究生李柯（第二作者）在研究過(guò)程中也做出了重要的貢獻(xiàn)；通訊作者是物質(zhì)學(xué)院材料和物理生物研究部的鐘超教授和上海交通大學(xué)的樊春海教授。上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位。上科大物質(zhì)學(xué)院分析測(cè)試平臺(tái)，上科大電鏡中心，國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究(上海)設(shè)施給予了大力支持。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(聯(lián)合基金種子基金)、上海市教委“曙光”計(jì)劃、中國(guó)博士后科學(xué)基金、上?？萍即髮W(xué)的啟動(dòng)資金等基金的支持。

文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-09369-6

在修飾了成核蛋白CsgB的DNA折紙結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)下，大腸桿菌生物被膜淀粉樣蛋白CsgA能夠定點(diǎn)加速聚合；AFM高度圖顯示纖維從CsgB-DNA復(fù)合物頂點(diǎn)開(kāi)始生長(zhǎng)。白色箭頭表示在頂點(diǎn)形成的點(diǎn)狀寡聚物。標(biāo)尺:100nm

利用高速原子力顯微鏡(HS-AFM)原位探測(cè)CsgB-DNA折紙復(fù)合結(jié)構(gòu)引導(dǎo)CsgA聚合的過(guò)程：(a)無(wú)CsgB-DNA折紙(獨(dú)立模式)；(b,c)有CsgB-DNA折紙(b,c)時(shí)CsgA纖維形成示意圖以及相應(yīng)的AFM高度圖與形成CsgA纖維長(zhǎng)度變換圖: (d－f)比較在獨(dú)立、出發(fā)和到達(dá)三種不同生長(zhǎng)模式下，纖維每步生長(zhǎng)所需的平均停滯時(shí)間和延伸速率。標(biāo)尺：50nm