Protein container scaffolds for the assembly of structured nanomaterials

Künzle, Matthias; Schwaneberg, Ulrich; Simon, Ulrich

doi:HT020561999

Protein container scaffolds for the assembly of structured nanomaterials = Proteincontainergerüste für den Aufbau von strukturierten Nanomaterialien

Künzle, Matthias^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Matthias Künzle

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (VIII, 162 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Simon, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Schwaneberg, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-08-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-08571
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/795815/files/795815.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
binary protein crystals (frei) ; biohybrid materials (frei) ; encapsulation (frei) ; nanomaterials (frei) ; nanoparticles (frei) ; protein containers (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Bei strukturierten Nanomaterialen handelt es sich um eine neuartige Materialklasse, welche aus individuellen, nanoskaligen Bausteinen aufgebaut ist. Die jeweiligen Materialeigenschaften können durch eine vorprogrammierte Anordnung der Bausteine abgestimmt werden. Hierfür muss die strukturelle Organisation des Materials präzise kontrolliert werden. Biomoleküle können als vielseitiges Grundgerüst für die Anordnung von anorganischen Komponenten zu einem hochgeordneten Supergitter dienen. Zusätzlich ergänzen sie das entstehende Biohybridmaterial um biologische Eigenschaften und Funktionalitäten. Insbesondere Proteincontainer eignen sich als perfekte Bausteine wegen ihrer hochsymmetrischen Form und der Fähigkeit Frachtmoleküle einzukapseln. In dieser Arbeit wird eine neue Strategie für die präzise Anordnung von anorganischen Nanopartikeln zu einem kristallinen Supergitter mittels eines Proteincontainergerüstes vorgestellt. Zuerst wurden zwei Varianten des Ferritin-Proteincontainers mit gegensätzlich geladener Oberfläche sowie der native Encapsulin-Container von Thermotoga maritima biochemisch produziert und mit hoher Reinheit aufgereinigt. Als nächstes wurden die Proteincontainer mittels zweier verschiedener Beladungsansätzen mit anorganischen Nanopartikeln beladen. Im Nanoreaktoransatz wurden drei Sorten Metalloxidnanopartikel direkt im Hohlraum der Container synthetisiert. Dabei fungierte die Proteinhülle als größenbegrenzendes Reaktionsgefäß für das Nanopartikelwachstum. Im zweiten Ansatz wurden bereits synthetisierte Nanopartikel mittels des hochspezifischen Beladungsmechanismus des Encapsulin-Nanokompartiments eingekapselt. Zu diesem Zweck wurden Goldnanopartikel mit einer kleinen Anzahl Encapsulin-Beladungspeptide (CLP) versehen. Durch Schlüssel-Schloss-Interaktion zwischen den Peptiden und den Peptidbindestellen auf der inneren Containeroberfläche wurden die Nanopartikel mit hoher Effizienz eingekapselt. Zusätzlich war die peptidgelenkte Einkapselung unabhängig von der Ionenstärke der Lösung. Dies im Gegensatz zur Einkapselung von kationischen Nanopartikeln, welche elektrostatisch mit negativ geladenen Bereichen auf der inneren Containeroberfläche interagierten. Nach dem Beladen mit Nanopartikeln wurden gegensätzlich geladenen Ferritin-Container in einem hochgeordneten Supergitter mit verschiedenen Nanopartikelkombinationen kristallisiert. Wegen günstiger elektrostatischer Wechselwirkungen nahmen die binären Proteinkristalle ein tetragonales Gitter in einer ungewöhnlichen CuAu-ähnlichen Struktur ein. Der Strukturtyp konnte durch Erhöhung der Magnesiumkonzentration in der Kristallisationsbedingung verändert werden, was zu einem unitären Supergitter führte, welches einzig aus negativ geladenem Ferritin bestand. Wie mittels Röntgenstrahlstrukturanalyse gezeigt werden konnte, spielen Magnesiumionen durch Komplexbildung zwischen angrenzenden Proteinuntereinheiten eine zentrale Rolle im Kristallinterface von unitären Kristallen. Bemerkenswerterweise hatte das Beladen mit Nanopartikeln keinen Einfluss auf die Kristallstruktur, da der Proteincontainer sämtliche Unregelmäßigkeiten der Nanopartikel überschrieb.

Structured nanomaterials are an emerging class of novel materials composed of individual nanoscale building blocks. By programmed assembly of these building blocks, the materials’ properties can be tuned. In this regard, the structural organization of the materials must be precisely controlled. Biomolecules can be used as versatile scaffolds for the assembly of inorganic components in a highly ordered superlattice. Moreover, biomolecules add biological features and functionalities to the generated biohybrid material. In particular, protein containers, with their highly symmetrical shape and inherent ability to encapsulate cargo molecules, are perfect building blocks. Here, a novel strategy for the precise assembly of inorganic nanoparticles in a crystalline superlattice using protein containers as scaffolds is presented. First, two variants of the ferritin protein container, engineered with opposite surface charge, and the native encapsulin container from Thermotoga maritima were produced biochemically and purified to high purity. Subsequently, the protein containers were loaded with inorganic nanoparticles by two different loading approaches. In the nanoreactor approach, three types of metal oxide nanoparticles were synthesized directly within the container cavities. Here, the protein shell acted as a size-constraining reaction vessel for nanoparticle growth. In the second approach, the highly specific cargo-loading mechanism of the encapsulin nanocompartment was employed for the encapsulation of presynthesized nanoparticles. For this purpose, gold nanoparticles were decorated with a small number of encapsulin cargo-loading peptides (CLP). By lock-and-key interaction between the peptides and the peptide-binding pockets on the inner container surface, nanoparticles were encapsulated with high efficiency. Moreover, peptide-directed encapsulation was independent from the ionic strength of solution, in contrast to encapsulation of cationic nanoparticles by electrostatic interactions with negatively charged patches on the inner container surface. After nanoparticle loading, oppositely charged ferritin containers were crystallized in highly ordered superlattices with different nanoparticle combinations. Due to favorable electrostatic interactions, binary protein crystals with a tetragonal lattice in an unusual CuAu-like arrangement were obtained. The structure type could be changed by increasing the magnesium concentration in the crystallization condition, resulting in a unitary superlattice composed of only negatively charged ferritins. As demonstrated by X ray structure determination, magnesium ions play a central role in the crystal interface of unitary crystals by complex formation between two adjacent protein subunits. Importantly, nanoparticle loading did not influence the structure of the crystals as the protein container overwrote any imperfections of the nanoparticle cargo.

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