Supramolecular protein assemblies offer novel nanoscale architectures with molecular precision and functional diversity. Despite the structural complexities of protein, various sophisticated strategies for creating artificial protein nanostructures have been developed. However, most of artificial protein assemblies show the polydisperse distribution in their structures, size and/or valency. Fabrication of monodisperse protein assemblies is thus a significant issue for the advanced designing protein nanostructures. Well-controlled protein assemblies will be valuable assets as multivalent platforms, which will help achieve better understanding and facilitate the use of multivalency in biological systems. Chapter 1 provides recent strategies for designing protein assembles and current understanding of multivalent interactions involved in action principles and various multivalent ligand architectures.
Chapter 2 describes the development of a series of supramolecular green fluorescent protein (GFP) polymers that are assembled in precise polygonal geometries and prepared in a monodisperse population. GFP was engineered to be self-assembled in cells into oligomeric assemblies that were natively separated in a single-protein resolution by surface charge manipulation, affording monodisperse GFP polygons from dimer to decamer. Cellular assembly could also be altered to generate linearly opened GFP polymers. Various functional proteins were multivalently displayed on the polymers with controlled orientations.
By employing these functional nano-assemblies, chapter 3 provides experimental insight into multivalent protein-protein interactions and tools to manipulate receptor clustering on live cell surfaces. We discovered that multivalent protein interactions were significantly influenced by the nanoscale spatial arrangement as well as the valency of binding proteins. Furthermore, multivalent protein assemblies were used to control of receptor clustering on cell surfaces. We demonstrated that internalization of receptor clusters is accelerated according to the increase of size of receptor clusters.
단백질은 무한한 기능성 및 구조를 가지고 있어 다양한 생체친화적 물질 개발에 높은 가능성을 갖는다. 특히 다중 단백질 조립체는 새로운 성질, 모양 및 크기를 갖을 수 있어 새로운 나노 구조체로 많은 관심을 받고 있다. 이는 생체분자 간 다중결합을 이용하여 비약적으로 향상된 기능 및 결합력을 갖는 단백질 구조체의 개발이 가능하다는 점에서 단백질 신약, 백신 및 결합 리셉터 연구에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다. 다중 단백질 조립체는 단백질이 갖는 구조적 복합성 때문에 개발에 어려움이 있었으나, 최근 연구들은 분자 간 특이적 인식을 이용하여 다양한 형태의 단백질 조립체를 개발하고 있다. 하지만 대부분의 다중 단백질 조립체 개발 전략은 구조체의 모양, 크기, 개수 등이 정밀한 조절이 어려워 그 응용에 제한이 되고 있다. 이론적 디자인을 통해 균일한 크기와 모양의 다중 단백질 조립체를 제작하는 연구 결과가 보고되고 있지만, 아직은 다양한 구조체의 제작이 제한적이며 이 구조체의 기능성 부여는 아직 보고되지 않고 있다.
본 논문에서는 다양한 크기의 단분산 다중 단백질 조립체를 제작하였다. 조립체 제작을 위해 비 공유결합지만 거의 비 가역적결합에 가까운 결합력을 보이는 형광단백질의 단편을 결합 쌍으로 이용하였다. 단백질 모노머를 디자인 하여 세포 내 자기조립을 통해 다양한 크기의 조립체를 제작 하였고, 단백질 표면에 전하를 도입하여 수용성 증가 및 크기에 따른 분리 및 정제가 가능하도록 하였다. 한 개부터 열개까지의 다중성을 갖는 다각형 배열 조립체를 제작하여 전자 현미경으로 구조를 분석하였으며, 이외에도 선형 배열의 다중 단백질 조립체를 제작하였다. 특히, 이 조립체는 기능성 단백질을 원하는 개수와 배열로 전시하는 것이 가능하여, 기능성 다중 단백질 조립체로써의 새로운 플랫폼을 제시하였다. 개발된 다양한 다중성의 단백질 조립체를 이용하여 단백질 다중결합을 이해하기 위한 연구를 수행하였다. 리간드의 개수 조절 및 적절한 나노 공간 배열을 통한 단백질 간 다중결합은 단일 결합에 비해 비약적으로 향상 된 결합력을 갖음을 증명하였다. 또한 다중 단백질 조립체를 이용하여 세포 막 리셉터 클러스터링 조절 연구를 수행하여 리셉터 클러스터 크기 증가에 따른 세포 내 유입 증가를 확인하였다.
