Structure and assembly of scalable porous protein cages

十二面体 衣壳 纳米技术 结晶学 生物物理学 化学 静电 材料科学 化学物理 物理 生物 生物化学 量子力学 基因
作者
Eita Sasaki,Daniel Böhringer,Michiel van de Waterbeemd,Marc Leibundgut,Reinhard Zschoche,Albert J. R. Heck,Nenad Ban,Donald Hilvert
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:8 (1) 被引量:119
标识
DOI:10.1038/ncomms14663
摘要

Abstract Proteins that self-assemble into regular shell-like polyhedra are useful, both in nature and in the laboratory, as molecular containers. Here we describe cryo-electron microscopy (EM) structures of two versatile encapsulation systems that exploit engineered electrostatic interactions for cargo loading. We show that increasing the number of negative charges on the lumenal surface of lumazine synthase, a protein that naturally assembles into a ∼1-MDa dodecahedron composed of 12 pentamers, induces stepwise expansion of the native protein shell, giving rise to thermostable ∼3-MDa and ∼6-MDa assemblies containing 180 and 360 subunits, respectively. Remarkably, these expanded particles assume unprecedented tetrahedrally and icosahedrally symmetric structures constructed entirely from pentameric units. Large keyhole-shaped pores in the shell, not present in the wild-type capsid, enable diffusion-limited encapsulation of complementarily charged guests. The structures of these supercharged assemblies demonstrate how programmed electrostatic effects can be effectively harnessed to tailor the architecture and properties of protein cages.
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