Design of metal-mediated protein assemblies via hydroxamic acid functionalities

化学生物学 异羟肟酸 蛋白质工程 化学 纳米技术 金属 组合化学 计算生物学 材料科学 生物化学 生物 立体化学 有机化学
作者
Rohit H. Subramanian,Jie Zhu,Jake Bailey,Jerika A. Chiong,Yiying Li,Eyal Golub,F. Akif Tezcan
出处
期刊:Nature Protocols [Nature Portfolio]
卷期号:16 (7): 3264-3297 被引量:20
标识
DOI:10.1038/s41596-021-00535-z
摘要

The self-assembly of proteins into sophisticated multicomponent assemblies is a hallmark of all living systems and has spawned extensive efforts in the construction of novel synthetic protein architectures with emergent functional properties. Protein assemblies in nature are formed via selective association of multiple protein surfaces through intricate noncovalent protein–protein interactions, a challenging task to accurately replicate in the de novo design of multiprotein systems. In this protocol, we describe the application of metal-coordinating hydroxamate (HA) motifs to direct the metal-mediated assembly of polyhedral protein architectures and 3D crystalline protein–metal–organic frameworks (protein-MOFs). This strategy has been implemented using an asymmetric cytochrome cb562 monomer through selective, concurrent association of Fe3+ and Zn2+ ions to form polyhedral cages. Furthermore, the use of ditopic HA linkers as bridging ligands with metal-binding protein nodes has allowed the construction of crystalline 3D protein-MOF lattices. The protocol is divided into two major sections: (1) the development of a Cys-reactive HA molecule for protein derivatization and self-assembly of protein–HA conjugates into polyhedral cages and (2) the synthesis of ditopic HA bridging ligands for the construction of ferritin-based protein-MOFs using symmetric metal-binding protein nodes. Protein cages are analyzed using analytical ultracentrifugation, transmission electron microscopy and single-crystal X-ray diffraction techniques. HA-mediated protein-MOFs are formed in sitting-drop vapor diffusion crystallization trays and are probed via single-crystal X-ray diffraction and multi-crystal small-angle X-ray scattering measurements. Ligand synthesis, construction of HA-mediated assemblies, and post-assembly analysis as described in this protocol can be performed by a graduate-level researcher within 6 weeks. To design new multiprotein systems, the authors describe how to combine natural metal-coordinating motifs and hydroxamic acid groups to direct metal-mediated assembly of polyhedral protein architectures and 3D crystalline protein frameworks.
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