De novo design of tunable, pH-driven conformational changes

合作性 质子化 位阻效应 组氨酸 生物物理学 化学 氢键 构象变化 功能(生物学) 蛋白质结构 蛋白质设计 生物化学 立体化学 细胞生物学 酶 生物 分子 离子 有机化学
作者
Scott E. Boyken,Mark A. Benhaim,Florian Büsch,Mengxuan Jia,Matthew J. Bick,Heejun Choi,Jason C. Klima,Zibo Chen,Carl Walkey,Alexander Mileant,Aniruddha Sahasrabuddhe,Kathy Y. Wei,Edgar A. Hodge,Sarah Byron,Alfredo Quijano‐Rubio,Banumathi Sankaran,Neil P. King,Jennifer Lippincott‐Schwartz,Vicki H. Wysocki,Kelly K. Lee
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:364 (6441): 658-664 被引量:160
标识
DOI:10.1126/science.aav7897
摘要

The ability of naturally occurring proteins to change conformation in response to environmental changes is critical to biological function. Although there have been advances in the de novo design of stable proteins with a single, deep free-energy minimum, the design of conformational switches remains challenging. We present a general strategy to design pH-responsive protein conformational changes by precisely preorganizing histidine residues in buried hydrogen-bond networks. We design homotrimers and heterodimers that are stable above pH 6.5 but undergo cooperative, large-scale conformational changes when the pH is lowered and electrostatic and steric repulsion builds up as the network histidine residues become protonated. The transition pH and cooperativity can be controlled through the number of histidine-containing networks and the strength of the surrounding hydrophobic interactions. Upon disassembly, the designed proteins disrupt lipid membranes both in vitro and after being endocytosed in mammalian cells. Our results demonstrate that environmentally triggered conformational changes can now be programmed by de novo protein design.
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