基于split protein （拆分蛋白）的分子工具被應用于生物信號的控制、高級生物分子結構的設計等，但是諸多缺點，包括自發重組的不可控性，產物的不穩定性以及缺乏動態多樣性等限制了此類工具更廣泛的應用。香港科技大學孫飛課題組近期成功拆分光敏轉錄調節因子CarHC, 獲得一種新型的同時具有小分子（維生素B12）/光響應能力的蛋白質組裝工具split CarHC。這一新手段也催生了一系列具有可調機械性能的光敏水凝膠的設計研發，可被應用于三維細胞培養及細胞—細胞外基質相互作用等研究。該工作以“B12-induced reassembly of split photoreceptor protein enables photoresponsive hydrogels with tunable mechanics” 為題發表于《Science Advances》雜志（2022.04.）。文章第一作者是香港科技大學楊中光博士，通訊作者為香港科技大學孫飛教授。
光敏蛋白CarH最早作為合成類胡蘿卜素基因的轉錄調節因子在細菌中被發現。其C端結構域CarHC在黑暗中與腺苷鈷胺（AdoB12）結合后四聚，并在暴露于綠光或白光時重新解聚為單體（圖1）。細菌細胞利用這一過程控制CarH與類葫蘆卜素基因的結合程度從而操縱該基因的表達水平。CarHC的光敏和多聚特性促成了多種光遺傳學工具及光敏水凝膠材料的研發。
CarHC主要由一個四螺旋束（four helix bundle）結構域和一個B12結合結構域構成，二者之間通過一段無結構的多肽序列連接（圖2）。該工作將CarHC于此段無結構的區域切分，并在體外利用大腸桿菌成功表達、純化兩個重組蛋白，即CarHCN和CarHCC（split CarHC）（圖2）。CarHCN和CarHCC在體外不會自發重組，當與AdoB12結合后會重組并四聚；在暴露于白光后四聚體解聚為單體CarHC。由于分別來源于CarHCN、CarHCC的兩個組氨酸（His132和His177）和B12內鈷離子形成的穩定結構，光解后的單體CarHC不會進一步解聚為CarHCN和CarHCC（圖3）。與AdoB12不同，甲鈷胺（MeB12）雖然也可以介導CarHCN與CarHCC的重組，但并不會引發四聚（圖3）。split CarHC與AdoB12/MeB12反應的多樣性及魯棒性反映其在復雜生物體系內進行精準信號控制的潛能。
除此之外，基于split CarHC結合AdoB12/MeB12后所展現出的兩種光響應蛋白化學（圖3），以及自發形成共價鍵的Spy蛋白化學，該工作設計合成了兩種光敏水凝膠材料——受光照后機械硬度降低的Ado膠和受光照后機械硬度增強的的Me膠 （圖4）。兩種水凝膠都被應用于三維培養人間充質干細胞（hMSCs）。鑒于與天然生物組織如骨髓（0.5-1.5千帕），脂肪（0.5-1.0千帕）和腦組織（0.1-1.0千帕）機械強度的相似性，這兩種光敏水凝膠也許可以被應用于材料生物學和組織再生領域。
本文通過拆分細菌光感受蛋白CarH的 C 端結構域，開發出一種同時響應維生素B12/光的蛋白質組裝分子工具，split CarHC。split CarHC具有極低背景重組，高穩定性，高特異性及光可控性等優點，可用于構建具有動態機械性能的光響應蛋白水凝膠，支持三維細胞培養。與此同時， split CarHC也有潛力成為一種新型控制體內生物信號傳導的光遺傳學工具。
原文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.abm5482
