Inhibition of ice recrystallization with designed twistless helical repeat proteins

再结晶(地质) 结晶学 生物物理学 化学 计算生物学 材料科学 地质学 生物 古生物学
作者
Robbert J. de Haas,Harley Pyles,Timothy F. Huddy,Jannick van Ossenbruggen,Chuanbao Zheng,Daniëlle van den Broek,Ann G. Carr,Asim K. Bera,Alex Kang,Evans Brackenbrough,Emily Joyce,Banumathi Sankaran,Bingxu Liu,Ilja K. Voets,Renko de Vries
出处
期刊: [Cold Spring Harbor Laboratory]
被引量:2
标识
DOI:10.1101/2025.03.09.642278
摘要

Abstract Given the repetitive structure of crystalline ice, it’s unsurprising that highly active ice-binding proteins, often with beta-roll structures, also have repeating motifs. Here, we introduce a de novo designed family of ice-binding twistless alpha-helical repeat (iTHR) proteins. Each iTHR protein comprises two planar layers of parallel alpha-helices connected by loops—a structural topology not seen in native ice-binding proteins. The ice-binding helices feature an ordered array of TXXXAXXXAXX motifs, spaced to match the pyramidal {201} and secondary prism plane {110} ice lattice facets, and engineered with a 98.2° turn angle per residue to orient threonines uniformly towards the ice surface. iTHR proteins show high solubility, thermostability, and produce varied ice crystal morphologies depending on their intended target facet. Crucially, iTHRs exhibit ice recrystallization inhibition (IRI) at critical concentrations comparable to those of many native globular ice-binding proteins. Extensive site-specific mutagenesis shows that ice-binding activity in iTHR proteins is robust, remaining largely unaffected by changes in chemical composition. Variation in the repeat number reveals a non-monotonic relationship to IRI activity. X-ray crystal structures of two designs confirm the intended orientation of threonines, uniformly pointing toward the ice surface. The iTHR family provides a versatile platform to systematically investigate the complex structure-activity relationships underlying protein-ice interactions.
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