Protein-Embedded Metalloporphyrin Arrays Templated by Circularly Permuted Tobacco Mosaic Virus Coat Proteins

烟草花叶病毒 生物电子学 辅因子 蛋白质工程 外壳蛋白 电子转移 化学 材料科学 纳米技术 生物 光化学 生物传感器 生物化学 病毒 基因 病毒学 核糖核酸
作者
Jing Dai,Gavin J. Knott,Wen Fu,Tiffany W. Lin,Ariel L. Furst,R. David Britt,Matthew B. Francis
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (5): 8110-8119 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c07165
摘要

Bioenergetic processes in nature have relied on networks of cofactors for harvesting, storing, and transforming the energy from sunlight into chemical bonds. Models mimicking the structural arrangement and functional crosstalk of the cofactor arrays are important tools to understand the basic science of natural systems and to provide guidance for non-natural functional biomaterials. Here, we report an artificial multiheme system based on a circular permutant of the tobacco mosaic virus coat protein (cpTMV). The double disk assembly of cpTMV presents a gap region sandwiched by the two C2-symmetrically related disks. Non-native bis-his coordination sites formed by the mutation of the residues in this gap region were computationally screened and experimentally tested. A cpTMV mutant Q101H was identified to create a circular assembly of 17 protein-embedded hemes. Biophysical characterization using X-ray crystallography, cyclic voltammetry, and electron paramagnetic resonance (EPR) suggested both structural and functional similarity to natural multiheme cytochrome c proteins. This protein framework offers many further engineering opportunities for tuning the redox properties of the cofactors and incorporating non-native components bearing varied porphyrin structures and metal centers. Emulating the electron transfer pathways in nature using a tunable artificial system can contribute to the development of photocatalytic materials and bioelectronics.
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