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Overcoming universal restrictions on metal selectivity by protein design

金属蛋白 化学 蛋白质设计 金属 水溶液中的金属离子 位阻效应 灵活性(工程) 亲缘关系 配位复合体 组合化学 蛋白质结构 纳米技术 立体化学 材料科学 生物化学 统计 数学 有机化学
作者
Tae Su Choi,F. Akif Tezcan
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:603 (7901): 522-527 被引量:40
标识
DOI:10.1038/s41586-022-04469-8
摘要

Selective metal coordination is central to the functions of metalloproteins:1,2 each metalloprotein must pair with its cognate metallocofactor to fulfil its biological role3. However, achieving metal selectivity solely through a three-dimensional protein structure is a great challenge, because there is a limited set of metal-coordinating amino acid functionalities and proteins are inherently flexible, which impedes steric selection of metals3,4. Metal-binding affinities of natural proteins are primarily dictated by the electronic properties of metal ions and follow the Irving–Williams series5 (Mn2+ < Fe2+ < Co2+ < Ni2+ < Cu2+ > Zn2+) with few exceptions6,7. Accordingly, metalloproteins overwhelmingly bind Cu2+ and Zn2+ in isolation, regardless of the nature of their active sites and their cognate metal ions1,3,8. This led organisms to evolve complex homeostatic machinery and non-equilibrium strategies to achieve correct metal speciation1,3,8–10. Here we report an artificial dimeric protein, (AB)2, that thermodynamically overcomes the Irving–Williams restrictions in vitro and in cells, favouring the binding of lower-Irving–Williams transition metals over Cu2+, the most dominant ion in the Irving–Williams series. Counter to the convention in molecular design of achieving specificity through structural preorganization, (AB)2 was deliberately designed to be flexible. This flexibility enabled (AB)2 to adopt mutually exclusive, metal-dependent conformational states, which led to the discovery of structurally coupled coordination sites that disfavour Cu2+ ions by enforcing an unfavourable coordination geometry. Aside from highlighting flexibility as a valuable element in protein design, our results illustrate design principles for constructing selective metal sequestration agents. An alternative approach to metalloprotein design shows that it is possible to overcome the restrictions of the Irving–Williams series and achieve both flexibility and specificity in the binding of metal ions.
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