Design of stimulus-responsive two-state hinge proteins

双稳态 铰链 效应器 晶体管 能源景观 分子开关 计算机科学 纳米技术 化学 化学物理 物理 生物系统 材料科学 光电子学 生物 分子 电压 量子力学 经典力学 生物化学
作者
Florian Praetorius,Philip J. Y. Leung,Maxx H. Tessmer,Adam Broerman,Cullen Demakis,Acacia F. Dishman,Arvind Pillai,Abbas Idris,David Juergens,Justas Dauparas,Xinting Li,Paul M. Levine,Mila Lamb,Ryanne Ballard,Stacey Gerben,Hannah Nguyen,Alex Kang,Banumathi Sankaran,Asim K. Bera,Brian F. Volkman,Jeff Nivala,Stefan Stoll,David Baker
标识
DOI:10.1101/2023.01.27.525968
摘要

Abstract Proteins that switch between two structural states as a function of environmental stimuli are widespread in nature. These proteins structurally transduce biochemical information in a manner analogous to how transistors control information flow in computing devices. Engineering challenges ranging from biological computing devices to molecular motors require such two-state switches, but designing these is an unsolved problem as it requires sculpting an energy landscape with two low-energy but structurally distinct conformations that can be modulated by external inputs. Here we describe a general design approach for creating “hinge” proteins that populate one distinct state in the absence of ligand and a second designed state in the presence of ligand. X-ray crystallography, electron microscopy, and double electron-electron resonance spectroscopy demonstrate that despite the significant structural differences, the two states are designed with atomic level accuracy. The kinetics and thermodynamics of effector binding can be finely tuned by modulating the free energy differences between the two states; when this difference becomes sufficiently small, we obtain bistable proteins that populate both states in the absence of effector, but collapse to a single state upon effector addition. Like the transistor, these switches now enable the design of a wide array of molecular information processing systems.
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