蛋白质笼可以通过从头设计、对现有蛋白质进行改造或从自然界中分离来制备。非原生系统的设计示例包括金属协调笼以及单组件和双组件二十面体架构。此类系统已被证明在免疫原展示和有效疫苗设计等方面有效。此外，天然病毒衣壳具有独特的组装特性，使其成为纳米生物工程中流行的构建模块。多种病毒类型在体外重组时观察到多态性行为；然而，以用户定义的方式指导多态性仍然具有挑战性。球形豇豆褪绿斑驳病毒（CCMV，直径d= 28 nm）是研究最多的病毒之一。其 180 个衣壳蛋白 (CP) 拷贝排列成20个六聚体和12个五聚体，形成准二十面体T=3对称性。其可逆组装过程具有良好的特征，并且高度依赖于 pH 值和离子强度等环境条件。由于CP的固有蛋白质组装途径，重新组装会导致六角形片、空球和管的形成。尽管通过有机和无机材料的封装已经证明了对球形组件的控制，但偏离天然二十面体或管状对称性的其他组件的形成不能以模块化方式实现。鉴于此，芬兰阿尔托大学Mauri A. Kostiainen和赫尔辛基大学Juha T. Huiskonen研究人员利用DNA折纸模板来精确控制病毒衣壳组件的大小和形状。
为此，研究人员通过与短单链短链的可编程杂交，将长单链DNA支架链组装成明确的二维和三维结构。首先，研究人员研究了使用六螺旋束（6HB）DNA折纸引导CCMV CP的组装。6HB适用于前面描述的中空管内（还考虑到CP层的厚度），此外，它与在天然存在的病毒系统中观察到的DNA包装非常相似。研究人员使用了五种不同的DNA折纸结构来研究控制 CCMV CP 组装的特性和可能的几何限制。6HB和24HB是直径分别为6nm和14nm的圆柱形结构，而13螺旋环（13HR）是环形结构，60HB是砖状物体和纳米胶囊是刺激响应物体。络合过程由蛋白质-蛋白质相互作用以及 DNA 折纸的带负电荷的磷酸盐主链与蛋白质的 26 个富含精氨酸残基的 N 末端区域中带正电荷的氨基酸 (aa) 残基之间的静电相互作用驱动。研究发现，络合过程不仅限于单个蛋白质层（灰色），带正电的 CP 残基还与 CP 表面带负电的斑块相互作用，导致第二个蛋白质层（绿色）成核。
图|衣壳包被的DNA折纸结构的形成
为了确认 DNA 的封装并进行详细的结构表征，研究人员基于冷冻电子显微镜(cryo-EM) 进行了单粒子重建。对沿着细丝拾取的颗粒进行二维 (2D) 分类，并仅从记录的图像中获得从头开始 3D 模型的 3D 细化，从而产生第一蛋白质层分辨率为 4.3 Å 、第二蛋白质层分辨率为 8 Å 的螺旋结构。蛋白质管由六聚体组装而成，类似于体外组装的HIV病毒形成的管。
图|用冷冻电镜单粒子重建复杂的6HB结构
蛋白质管腔内的密度对应于封装的 DNA 折纸。其负电荷分布均匀。面向折纸的 N 末端为蛋白质管的内表面创建正静电势表面。相反，对于外管表面，负静电势占主导地位，因此允许形成蛋白质多层复合物。研究人员无法检测到蛋白质层之间或 DNA 和蛋白质之间的特定物理接触点，这表明非特异性静电和蛋白质-蛋白质相互作用是组装的驱动力。此外，它还能够通过改变盐条件或设计CP–DNA相互作用来微调对组装的控制。
此外，该方法不仅增强了 DNA 折纸对核酸酶消化的稳定性，而且还使得 DNA 折纸能够用作高度功能化的平台。研究人员使用AuNP 证明了 DNA 折纸的高寻址能力，可以通过杂交或嵌入来精确附着各种货物/靶向分子。
图|衣壳涂层在不同厚度和形状的结构上的适用性
这种方法不仅可以封装非线性、非管状和RNA-DNA杂交结构，即该模板的适用性既不限于DNA折纸，也不限于RNA支架折纸，还不限于CCMV CP，从而产生由其他病毒物种构建的组装体，如多瘤病毒。此外，它提供了一种保护DNA免受核酸酶降解的通用技术，因此对疫苗和核酸递送载体的开发具有吸引力。综上所述，本文开发了一种策略，以精确和可编程的方式在生理条件下指导病毒衣壳的组装。通过使用通用的DNA折纸作为模板，可以实现对所形成组件的大小和形状的精确控制。Seitz, I., Saarinen, S., Kumpula, EP. et al. DNA-origami-directed virus capsid polymorphism. Nat. Nanotechnol. (2023).https://doi.org/10.1038/s41565-023-01443-x
