合成蛋白组装体封装自身的遗传物质并进化

合成核衣壳由经过计算设计的蛋白质组成，可以包装其自身的RNA基因组，从而提供了一个空白的平台，可为药物输送和其他生物医学应用发展出有用的特性。蛋白质设计与认知研究所

科学家创造了计算设计的蛋白质组装体，以显示通常与生物有关的某些功能，以寻找将治疗性货物运输到特定类型细胞中的方式，而无需使用病毒作为媒介。

从头开始设计和制造的蛋白质装配体，用于运载分子货物，正在推进合成生命研究和针对靶向药物输送的工程研究。

科学家已经成功开发出第一个报道的合成蛋白装配体，该装配体封装了自己的遗传物质并在复杂的环境中发展出新的特性。

该项目本周在科学杂志《自然》上报道。该论文的主要作者是华盛顿大学蛋白质设计研究所的Gabriel L. Butterfield和Marc J. Lajoie。

这一进展源于华盛顿大学（UW Medicine）和华盛顿大学其他地区的分子工程项目，以创建针对性的药物输送系统。合成蛋白组装件是通过计算设计的。它们在实验室中形成之前就不存在。

科学家们创造了这些组件，以寻求新的方式将治疗性货物运输到特定类型的细胞中，而无需使用病毒作为媒介。

Lajoie指出：“靶向药物递送是医学上尚未解决的主要需求，目前，研究人员正在使用有效但难以工程改造的病毒，或者正在使用可工程改造但对靶向递送效果较差的聚合物纳米粒子。”

除了它们在生物医学应用中的潜力外，新设计的蛋白质组件在合成生命研究中可能是开创性的。据信它们是包装其自身遗传材料并进化出新特性的首批完全合成的装配体。这些是通常与生物有关的功能。

这项工作是在西澳大学医学院的生物医学教授大卫·贝克和生物化学助理教授尼尔·金的实验室进行的。以及西澳大学罗伯特·拉什默（Robert F. Rushmer）生物工程学教授苏西·潘（Suzie Pun）。

新的蛋白质组装体是核衣壳的合成版本-基因组容器。大多数病毒用蛋白壳包裹其遗传物质。合成核衣壳的构建类似于病毒外壳，就像飞机或轮船的船舱一样，可以保护和运送货物。

Lajoie解释说，与活病毒不同，这些合成的遗传载体无法复制自己进行繁殖。Butterfield补充说：“尽管如此，它们在基因组包装效率上可以与病毒匹敌，并且更容易设计。”

将计算设计与进化相结合，为开发新的生物学功能提供了新的机会。研究人员观察到，通过这种方式，将生物医学应用所需的复杂特性引入了这些蛋白质组装物中。这些措施包括包装RNA的能力提高，对血液的抵抗力增强（血液中通常会降解这类物质的物质）以及在活体小鼠中更长的循环时间。

每个属性的改进来自衣壳特定区域的更改。最初的包装来自重新设计内部以静电捕获RNA的方法。在此之后，进化步骤包括：进化内部，以更好地促进RNA包装；进化对血液中RNA破坏酶和其他破坏物的保护；进化外部，以增加活体小鼠的循环时间。

包装遗传物质对生物至关重要。它保留了以DNA或RNA分子化学形式存在的生命密码。

Lajoie说：“我们基于两种完全不相关的蛋白质从头开始设计了合成核衣壳。”“这令人兴奋，因为我们无需使用现有细胞作为模板就能设计出生命必不可少的功能。”

未来的工作将继续进行设计和发展的组合策略，以尝试优化复杂环境（例如活组织中的蛋白质）中蛋白质组件的功能。

“到目前为止，我们对进化如何有效地解决了我们的问题感到惊讶。我们希望，随着我们追求下一个目标，这种情况将继续下去：将治疗性货物运送到动物的特定细胞中，”巴特菲尔德说。

这项工作由霍华德·休斯医学院，比尔和梅琳达·盖茨基金会，国防高级研究计划局（DARPA），美国国立卫生研究院，美国国家科学基金会，华盛顿研究基金会和癌症研究所资助。

这项研究的其他研究人员有希瑟·古斯塔夫森（Heather H. Gustafson），塞勒（Drew L.Sellers），纳特曼（Una Nattermann），丹尼尔·埃利斯（Daniel Ellis），雅各布·B·贝尔，沙龙（Sharon Ke），加勒克·伦茨（Angreck H.Lenz），当归·耶德戈（Angelica Yehdego）和拉什米·拉维克汉德兰（Rashmi Ravichandran）。

出版物：Gabriel L. Butterfield等人，“封装自身RNA基因组的设计蛋白质装配的进化”，《自然》，2017年； doi：10.1038 / nature25157