De novo design of protein homo-oligomers with modular hydrogen-bond network–mediated specificity

氢键 配对 碱基对 蛋白质设计 DNA 模块化设计 蛋白质结构 蛋白质工程 化学 纳米技术 计算生物学 生物 材料科学 物理 分子 计算机科学 生物化学 程序设计语言 有机化学 超导电性 量子力学
作者
Scott E. Boyken,Zibo Chen,Benjamin Groves,Robert A. Langan,Gustav Oberdorfer,Alex Ford,Jason M. Gilmore,Chunfu Xu,Frank DiMaio,J.H. Pereira,Banumathi Sankaran,Georg Seelig,Peter H. Zwart,David Baker
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:352 (6286): 680-687 被引量:343
标识
DOI:10.1126/science.aad8865
摘要

In nature, structural specificity in DNA and proteins is encoded differently: In DNA, specificity arises from modular hydrogen bonds in the core of the double helix, whereas in proteins, specificity arises largely from buried hydrophobic packing complemented by irregular peripheral polar interactions. Here, we describe a general approach for designing a wide range of protein homo-oligomers with specificity determined by modular arrays of central hydrogen-bond networks. We use the approach to design dimers, trimers, and tetramers consisting of two concentric rings of helices, including previously not seen triangular, square, and supercoiled topologies. X-ray crystallography confirms that the structures overall, and the hydrogen-bond networks in particular, are nearly identical to the design models, and the networks confer interaction specificity in vivo. The ability to design extensive hydrogen-bond networks with atomic accuracy enables the programming of protein interaction specificity for a broad range of synthetic biology applications; more generally, our results demonstrate that, even with the tremendous diversity observed in nature, there are fundamentally new modes of interaction to be discovered in proteins.
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