普林斯顿化学使用实验室设计的蛋白质在室温下创建量子点

大自然使用 20 种规范氨基酸作为构建模块来制造蛋白质，将它们的序列结合起来以创建执行生物功能的复杂分子。

但是那些不是自然选择的序列会怎样呢?构建全新序列以制造与自然界中任何事物几乎没有相似之处的新颖或从头蛋白质的可能性有多大?

这就是普林斯顿大学Hecht 实验室工作的领域。最近，他们对设计自己的序列的好奇心得到了回报。

他们发现了第一个已知的催化或驱动量子点合成的从头蛋白。量子点是荧光纳米晶体，用于从 LED 屏幕到太阳能电池板的电子应用。

他们的工作通过证明非源自自然界的蛋白质序列可用于合成功能性材料——对环境具有显着益处——打开了以更可持续的方式制造纳米材料的大门。

量子点通常是在高温和有毒、昂贵溶剂的工业环境中制造的——这一过程既不经济也不环保。但是赫克特实验室的研究人员使用水作为溶剂在工作台上完成了这个过程，在室温下制造出稳定的最终产品。

“我们有兴趣制造生命中没有出现的生命分子和蛋白质，”化学教授Michael Hecht说，他与William S. Tod 化学教授兼系主任Greg Scholes一起领导了这项研究。“在某些方面，我们在问，我们所知道的生活是否有其他选择?地球上的所有生命都起源于共同的祖先。但是，如果我们制造出并非来自共同祖先的栩栩如生的分子，它们能做出很酷的事情吗?

“所以在这里，我们正在制造生命中从未出现过的新蛋白质，做生命中不存在的事情。”

该团队的过程还可以调整纳米粒子的大小，这决定了彩色量子点在其中发光或发出荧光。这为标记生物系统内的分子提供了可能性，例如在体内对癌细胞进行染色。

“由于量子点的大小，量子点具有非常有趣的光学特性，”该论文的合著者、赫克特实验室五年级研究生Yueyu Yao说。“它们非常擅长吸收光并将其转化为化学能——这使得它们可用于制造太阳能电池板或任何类型的光传感器。

“但另一方面，它们也非常擅长发出特定波长的光，这使得它们适合制作 LED 屏幕。”

而且由于它们很小——仅由大约 100 个原子组成，直径可能只有 2 纳米——它们能够穿透一些生物屏障，这使得它们在医学和生物成像方面的应用前景尤为广阔。

这项名为“从头蛋白催化半导体量子点合成”的研究于本周发表在国家科学院院刊(PNAS) 上。

为什么使用从头蛋白?

“我认为使用de novo蛋白质为可设计性开辟了一条途径，”该研究的主要作者、Scholes 实验室前博士后Leah Spangler说。“对我来说，关键词是‘工程’。我希望能够设计蛋白质来做一些特定的事情，这是一种你可以用它来做的蛋白质。

“我们正在制造的量子点质量还不是很好，但可以通过调整合成来改善，”她补充道。“我们可以通过设计蛋白质以不同方式影响量子点形成来获得更好的质量。”

基于Hecht 实验室高级化学家兼通讯作者Sarangan Chari所做的工作，该团队使用其设计的一种名为 ConK 的从头蛋白来催化反应。研究人员于 2016 年首次从大型蛋白质组合库中分离出 ConK。它仍然由天然氨基酸组成，但它有资格被称为“从头”，因为它的序列与天然蛋白质没有任何相似之处。

研究人员发现，ConK 使大肠杆菌能够在其他有毒浓度的铜中存活，这表明它可能对金属结合和螯合有用。本研究中使用的量子点由硫化镉制成。镉是一种金属，因此研究人员想知道是否可以使用 ConK 来合成量子点。

他们的预感得到了回报。ConK 将 20 种氨基酸之一的半胱氨酸分解成多种产物，包括硫化氢。它充当活性硫源，然后继续与金属镉发生反应。结果是 CdS 量子点。

“要制造硫化镉量子点，您需要镉源和硫源在溶液中发生反应，”Spangler 说。“蛋白质的作用是随着时间的推移慢慢产生硫源。因此，我们最初添加镉，但蛋白质会产生硫，然后硫会发生反应，形成不同大小的量子点。”

这项研究得到了国家科学基金会 MRSEC 计划 (DMR-2011750)、普林斯顿大学写作中心和加拿大高级研究所的支持。该研究还得到了 NSF 授予 MH 的 MCB-1947720 资助。