二维材料，今年第一篇Nature

第一作者：Ariel J. Ben-Sasson

通讯作者：David Baker、Emmanuel Derivery

通讯单位：华盛顿大学，剑桥MRC分子生物实验室

研究亮点：

1. 发展了一种计算控制二元蛋白质二维材料组装的新方法。

2. 实现了在无序基底上构建有序二维阵列。

二维材料，大有可为。连生物学家，都开始对二维材料产生了兴趣。

有序二维蛋白材料由柔性链接形成单个晶格，这些链接往往只由一种蛋白质成分构成。很自然地，科学家觉得由两个蛋白质成分组成的材料更具优势。

与两种或多种成分组成的材料相比，在两种或多种成分混合后自发共组装为有序结构的可遗传编程材料更容易控制。科学家更容易调控组装动力学，对零件进行严格表征和操作，实现更复杂的功能，从而使系统可以用于各种应用。

二元组分的二维有序阵列已被证实，但是由于组分的灵活性，设计材料的结构无法事先完全确定，并且构筑单元具有二面角对称性，阵列具有相同的上表面和下表面。通过广泛的非共价相互作用稳定的刚性结构域之间的从头设计将提供对原子结构的更多控制，并为进一步的结构和功能调节提供可靠的起点。

有鉴于此，华盛顿大学David Baker和剑桥MRC分子生物实验室Emmanuel Derivery等人报道了一种计算方法，通过设计成对的二面体蛋白质构筑单元之间的刚性界面，可以生成共组装的二元层从而实现二元蛋白二维超晶格。

图1. 设计策略

研究人员设计的阵列元件在毫摩尔浓度下会发生溶解，有趣的是，当它们以纳摩尔浓度组合时，就会快速组装成几乎晶态的微米级阵列，而无需二维材料支撑，这几乎与体外和细胞内计算设计的模型保持一致。

图2. 组装结构

由于该材料是从头开始设计的，因此可以轻松地对构筑单元进行功能化，并重新构造它们的对称性，从而能够形成具有可区分表面的配体阵列。使用原子力显微镜和定量显微镜，研究人员发现，在膜上组装的阵列具有与体外形成的阵列相似的化学计量和结构。这表明，在细胞膜这种无序基底上实现有序组装，是可能的。

图3. 动力学

之前的研究发现，细胞表面受体结合元件（例如抗体和纳米笼）迅速被内吞。相比之下，这次在细胞表面组装的大阵列可以以可调的方式抑制内吞作用，具有扩大受体参与和逃避免疫的潜在治疗意义。

图4. 大规模组装阵列

总之，这项研究为合成细胞生物学奠定了基础，也为二维材料的发展打开了新的大门！

参考文献:

Ariel J. Ben-Sasson et al. Design of biologically active binary protein 2D materials. Nature 2020.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03120-8