Accurate design of megadalton-scale two-component icosahedral protein complexes

二十面体对称 衣壳 蛋白质亚单位 纳米结构 纳米技术 表征(材料科学) 生物物理学 化学 材料科学 结晶学 组分(热力学) 生物 生物化学 物理 热力学 基因
作者
Jacob B. Bale,Shane Gonen,Yuxi Liu,William Sheffler,Daniel Ellis,Chantz P. Thomas,Duilio Cascio,Todd O. Yeates,Tamir Gonen,Neil P. King,David Baker
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:353 (6297): 389-394 被引量:548
标识
DOI:10.1126/science.aaf8818
摘要

Nature provides many examples of self- and co-assembling protein-based molecular machines, including icosahedral protein cages that serve as scaffolds, enzymes, and compartments for essential biochemical reactions and icosahedral virus capsids, which encapsidate and protect viral genomes and mediate entry into host cells. Inspired by these natural materials, we report the computational design and experimental characterization of co-assembling, two-component, 120-subunit icosahedral protein nanostructures with molecular weights (1.8 to 2.8 megadaltons) and dimensions (24 to 40 nanometers in diameter) comparable to those of small viral capsids. Electron microscopy, small-angle x-ray scattering, and x-ray crystallography show that 10 designs spanning three distinct icosahedral architectures form materials closely matching the design models. In vitro assembly of icosahedral complexes from independently purified components occurs rapidly, at rates comparable to those of viral capsids, and enables controlled packaging of molecular cargo through charge complementarity. The ability to design megadalton-scale materials with atomic-level accuracy and controllable assembly opens the door to a new generation of genetically programmable protein-based molecular machines.
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