病毒蛋白與基因組RNA構筑DNA蛋白復合結構多級可控構筑

　　生物大分子在自然進化中發展出一套獨特的“自下而上”自組裝方式進行各種復合結構的可控裝配，為多功能生物納米材料的加工制備提供了絕佳范例。其中，核酸-蛋白質納米復合體系的可控構筑，不僅將實現生物學上兩種基本組裝模式的有效結合，以提供愈加復雜的生物結構模板，還有助于體內生物大分子相互作用的深入理解，對仿生器件制造和生物醫學應用具有深遠意義。近年來，DNA納米技術取得眾多令人矚目的研究成果。研究人員在計算機幫助下基于堿基互補配對原則構建了一系列精致的DNA多維結構，利用其伸出的DNA捕獲鏈雜交蛋白表面偶聯的DNA片段，可指導蛋白客體在預定位置有序排布，從而廣泛應用于DNA-蛋白質復合納米結構的可編程構筑。然而，利用蛋白質表面氨基酸殘基進行DNA共價交聯的常規方法，有著一些難以規避的缺點，包括修飾基團對功能蛋白活性的損害，修飾點與取向的不可控性以及操作體系不適于體內自組裝過程等，限制了進一步的發展。因此，一些科學家利用非共價交聯手段，如鏈霉親和素-生物素相互作用、特異性適配體和DNA結合蛋白等，進行DNA支架-蛋白質復合納米結構的組裝研究。但目前這些研究往往局限于特殊蛋白個體在DNA支架上的結合排布，并且不涉及后續組裝調控。構建更加高級而有序的DNA-蛋白質復合結構，并實現蛋白分子化學計量學和原位組裝調控，是發展基于核酸和蛋白質的雜化生物納米材料所面臨的一個重要挑戰。

DNA支架上進行病毒蛋白原位組裝及多級可控構筑示意圖支架上進行病毒蛋白原位組裝及多級可控構筑示意圖

　　針對這一挑戰，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員王強斌團隊在前期工作的基礎上(ACS Nano, 2018, 12, 1673-1679； Adv. Mater., 2017, 29, 1606533； J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 1764-1767； Small, 2016, 12, 4955-4959； J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 457–462； J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 11441–11444.)，首次利用病毒蛋白與基因組RNA內在作用機制在DNA支架上進行原位可控組裝體系的設計，展示了DNA-蛋白復合結構的多級可控構筑。病毒是一類典型的自組體，它的裝配過程具有很高的特異性和效率，能夠在短時間內利用弱鍵協同作用組裝生產出大量的病毒顆粒。以煙草花葉病毒（tobacco mosaic virus, TMV）作為模式系統，研究人員探索了不同條件下TMV基因組RNA與衣殼蛋白的互作規律及其對病毒顆粒的裝配調控。TMV基因組特定的組裝起始序列可有效引導核酸與病毒衣殼蛋白的特異性結合并引發體外重構組裝，并且病毒蛋白管的組裝長度是由RNA長度決定的，從而為蛋白域的精確調控提供了可能。研究人員構建了一維到三維DNA origami模板作為支架結合不同長度的TMV RNA重組序列，引導后續的原位組裝過程。通過支架表面結合位點和序列的設計，不僅實現TMV病毒蛋白管在DNA支架特定位置按一定組裝程序進行定向裝配生長，還完成蛋白管原位組裝長度的有效調控。這些成果為構建復雜DNA-蛋白復合組裝體系提供了新的策略。這種策略具有普適性，展現出以DNA origami為功能載體結合其它探針進行病毒組裝與感染機制研究的潛力，為DNA納米技術在生物醫學領域的應用提供新的視角。