Structural nanotechnology: three-dimensional cryo-EM and its use in the development of nanoplatforms for in vitro catalysis
Source abstract
Abstract
The organization of enzymes into different subcellular compartments is essential for correct cell function. Protein-based cages are a relatively recently discovered subclass of structurally dynamic cellular compartments that can be mimicked in the laboratory to encapsulate enzymes. These synthetic structures can then be used to improve our understanding of natural protein-based cages, or as nanoreactors in industrial catalysis, metabolic engineering, and medicine. Since the function of natural protein-based cages is related to their three-dimensional structure, it is important to determine this at the highest possible resolution if viable nanoreactors are to be engineered. Cryo-electron microscopy (cryo-EM) is ideal for undertaking such analyses within a feasible time frame and at near-native conditions. This review describes how three-dimensional cryo-EM is used in this field and discusses its advantages. An overview is also given of the nanoreactors produced so far, their structure, function, and applications.
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Research context
OpenAlex topics: Bacteriophages and microbial interactions · Advanced biosensing and bioanalysis techniques · Advanced Electron Microscopy Techniques and Applications
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Affiliations
Department of Biomolecular Nanotechnology
MESA+ Institute for Nanotechnology
University of Twente
7500 AE Enschede
The Netherlands
Centro Nacional de Microbiología/ISCIII
Madrid
Spain
Department of Structure of Macromolecules
Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC)
Funding
Ministerio de Economía y Competitividad · Comunidad de Madrid · H2020 European Research Council
References (100+)
Show source-provided references
1. Satori · Chem. Rev. · 2013 · 113 · 273310.1021/cr300354g ↗
2. Kerfeld · Annu. Rev. Microbiol. · 2010 · 64 · 39110.1146/annurev.micro.112408.134211 ↗
3. Kerfeld · Nat. Rev. Microbiol. · 2018 · 16 · 27710.1038/nrmicro.2018.10 ↗
4. Schoonen · Nanoscale · 2014 · 6 · 712410.1039/C4NR00915K ↗
5. Kim · Curr. Opin. Biotechnol. · 2013 · 24 · 62710.1016/j.copbio.2012.11.012 ↗
6. Kuhlbrandt · Science · 2014 · 343 · 144310.1126/science.1251652 ↗
7. Egelman · Biophys. J. · 2016 · 110 · 100810.1016/j.bpj.2016.02.001 ↗
8. Bertozzi · ACS Cent. Sci. · 2017 · 3 · 105610.1021/acscentsci.7b00494 ↗
9. Schoonen · Bioconjugate Chem. · 2015 · 26 · 242910.1021/acs.bioconjchem.5b00485 ↗
10. Rurup · Biomacromolecules · 2014 · 15 · 55810.1021/bm4015792 ↗
11. Schoonen · Bioconjugate Chem. · 2018 · 29 · 118610.1021/acs.bioconjchem.7b00815 ↗
12. Brasch · J. Am. Chem. Soc. · 2017 · 139 · 151210.1021/jacs.6b10948 ↗
13. Sutter · Nat. Struct. Mol. Biol. · 2008 · 15 · 93910.1038/nsmb.1473 ↗
14. Nogales · Mol. Cell · 2015 · 58 · 67710.1016/j.molcel.2015.02.019 ↗
15. Elmlund · Curr. Opin. Struct. Biol. · 2017 · 46 · 110.1016/j.sbi.2017.03.003 ↗
16. Khoshouei · Nat. Commun. · 2017 · 8 · 1609910.1038/ncomms16099 ↗
17. Merk · Cell · 2016 · 165 · 169810.1016/j.cell.2016.05.040 ↗
18. Jiang · Curr. Opin. Struct. Biol. · 2017 · 46 · 12210.1016/j.sbi.2017.07.002 ↗
19. Kaelber · Annu. Rev. Virol. · 2017 · 4 · 28710.1146/annurev-virology-101416-041921 ↗
20. Lucic · J. Cell Biol. · 2013 · 202 · 40710.1083/jcb.201304193 ↗
21. Wan · Methods Enzymol. · 2016 · 579 · 32910.1016/bs.mie.2016.04.014 ↗
22. J. R. Harris , Negative staining and cryoelectron microscopy: the thin film techniques , BIOS Scientific Publishers Ltd. , Oxford , 1997
23. Cheng · J. Mol. Biol. · 2006 · 355 · 104810.1016/j.jmb.2005.11.021 ↗
24. Dubochet · Q. Rev. Biophys. · 1988 · 21 · 12910.1017/S0033583500004297 ↗
25. Dobro · Methods Enzymol. · 2010 · 481 · 6310.1016/S0076-6879(10)81003-1 ↗
26. Grassucci · Nat. Protoc. · 2007 · 2 · 323910.1038/nprot.2007.452 ↗
27. Passmore · Methods Enzymol. · 2016 · 579 · 5110.1016/bs.mie.2016.04.011 ↗
28. Duong-Ly · Methods Enzymol. · 2014 · 541 · 10510.1016/B978-0-12-420119-4.00009-4 ↗
29. Skiniotis · Microscopy · 2016 · 65 · 910.1093/jmicro/dfv366 ↗
30. Kastner · Nat. Methods · 2008 · 5 · 5310.1038/nmeth1139 ↗
31. Chari · Nat. Methods · 2015 · 12 · 85910.1038/nmeth.3493 ↗
32. McMullan · Ultramicroscopy · 2014 · 147 · 15610.1016/j.ultramic.2014.08.002 ↗
33. McMullan · Methods Enzymol. · 2016 · 579 · 110.1016/bs.mie.2016.05.056 ↗
34. Brilot · J. Struct. Biol. · 2012 · 177 · 63010.1016/j.jsb.2012.02.003 ↗
35. Scheres · eLife · 2014 · 3 · e0366510.7554/eLife.03665 ↗
36. Li · Nat. Methods · 2013 · 10 · 58410.1038/nmeth.2472 ↗
37. Grant · eLife · 2015 · 4 · e0698010.7554/eLife.06980 ↗
38. Ripstein · Methods Enzymol. · 2016 · 579 · 10310.1016/bs.mie.2016.04.009 ↗
39. Danev · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2014 · 111 · 1563510.1073/pnas.1418377111 ↗
40. Danev · eLife · 2016 · 5 · e1304610.7554/eLife.13046 ↗
41. Mastronarde · J. Struct. Biol. · 2005 · 152 · 3610.1016/j.jsb.2005.07.007 ↗
42. Suloway · J. Struct. Biol. · 2009 · 167 · 1110.1016/j.jsb.2009.03.019 ↗
43. Cheng · Cell · 2015 · 161 · 43810.1016/j.cell.2015.03.050 ↗
44. Scheres · Methods Enzymol. · 2016 · 579 · 12510.1016/bs.mie.2016.04.012 ↗
45. Ludtke · Methods Enzymol. · 2016 · 579 · 15910.1016/bs.mie.2016.05.001 ↗
46. de la Rosa-Trevin · J. Struct. Biol. · 2013 · 184 · 32110.1016/j.jsb.2013.09.015 ↗
47. Grigorieff · Methods Enzymol. · 2016 · 579 · 19110.1016/bs.mie.2016.04.013 ↗
48. de la Rosa-Trevin · J. Struct. Biol. · 2016 · 195 · 9310.1016/j.jsb.2016.04.010 ↗
49. Punjani · Nat. Methods · 2017 · 14 · 29010.1038/nmeth.4169 ↗
50. Grant · eLife · 2018 · 7 · e3538310.7554/eLife.35383 ↗
51. Moriya · J. Visualized Exp. · 2017 · e5544810.3791/55448 ↗
52. Zivanov · eLife · 2018 · 7 · e4216610.7554/eLife.42166 ↗
53. Penczek · Methods Enzymol. · 2010 · 482 · 110.1016/S0076-6879(10)82001-4 ↗
54. Scheres · J. Struct. Biol. · 2012 · 180 · 51910.1016/j.jsb.2012.09.006 ↗
55. Scheres · Nat. Methods · 2007 · 4 · 2710.1038/nmeth992 ↗
56. Lyumkis · J. Struct. Biol. · 2013 · 183 · 37710.1016/j.jsb.2013.07.005 ↗
57. Chen · Microscopy · 2016 · 65 · 6910.1093/jmicro/dfv344 ↗
58. Henderson · Structure · 2012 · 20 · 20510.1016/j.str.2011.12.014 ↗
59. Subramaniam · Curr. Opin. Struct. Biol. · 2016 · 41 · 19410.1016/j.sbi.2016.07.009 ↗
60. Kucukelbir · Nat. Methods · 2014 · 11 · 6310.1038/nmeth.2727 ↗
61. Vilas · Structure · 2018 · 26 · 33710.1016/j.str.2017.12.018 ↗
62. Seras-Franzoso · Soft Matter · 2016 · 12 · 345110.1039/C5SM02930A ↗
63. Sheldon · Adv. Synth. Catal. · 2007 · 349 · 128910.1002/adsc.200700082 ↗
64. Koudelka · Annu. Rev. Virol. · 2015 · 2 · 37910.1146/annurev-virology-100114-055141 ↗
65. Bancroft · Adv. Virus Res. · 1970 · 16 · 9910.1016/S0065-3527(08)60022-6 ↗
66. Cornejo · Curr. Opin. Cell Biol. · 2014 · 26 · 13210.1016/j.ceb.2013.12.007 ↗
67. Dashti · ACS Nano · 2018 · 12 · 461510.1021/acsnano.8b01059 ↗
68. Kar · J. Virol. · 2005 · 79 · 1148710.1128/JVI.79.17.11487-11495.2005 ↗
69. Lee · J. Virol. Methods · 2008 · 151 · 17210.1016/j.jviromet.2008.05.025 ↗
70. Wilkerson · New Biotechnol. · 2018 · 44 · 5910.1016/j.nbt.2018.04.003 ↗
71. Garmann · Acc. Chem. Res. · 2016 · 49 · 4810.1021/acs.accounts.5b00350 ↗
72. Liu · J. Struct. Biol. · 2003 · 142 · 35610.1016/S1047-8477(03)00028-5 ↗
73. Comellas-Aragonès · Nat. Nanotechnol. · 2007 · 2 · 63510.1038/nnano.2007.299 ↗
74. Sánchez-Sánchez · Enzyme Microb. Technol. · 2014 · 60 · 2410.1016/j.enzmictec.2014.04.003 ↗
75. Minten · Chem. Sci. · 2011 · 2 · 35810.1039/C0SC00407C ↗
76. Schoonen · Biomacromolecules · 2017 · 18 · 349210.1021/acs.biomac.7b00640 ↗
77. Liu · Adv. Funct. Mater. · 2018 · 28 · 180157410.1002/adfm.201801574 ↗
78. de Ruiter · Methods Mol. Biol. · 2018 · 1776 · 23710.1007/978-1-4939-7808-3_16 ↗
79. Kang · Biomacromolecules · 2010 · 11 · 280410.1021/bm100877q ↗
80. O'Neil · Angew. Chem., Int. Ed. · 2011 · 50 · 742510.1002/anie.201102036 ↗
81. Patterson · Isr. J. Chem. · 2015 · 55 · 9610.1002/ijch.201400092 ↗
82. Qazi · Mol. Pharm. · 2016 · 13 · 119110.1021/acs.molpharmaceut.5b00822 ↗
83. Jordan · Nat. Chem. · 2016 · 8 · 17910.1038/nchem.2416 ↗
84. Patterson · J. Mater. Chem. B · 2014 · 2 · 594810.1039/C4TB00983E ↗
85. Chauhan · J. Nanobiotechnol. · 2018 · 16 · 1710.1186/s12951-018-0345-2 ↗
86. Sánchez-Sánchez · J. Nanobiotechnol. · 2015 · 13 · 6610.1186/s12951-015-0127-z ↗
87. Tapia-Moreno · Biotechnol. J. · 2017 · 12 · 160070610.1002/biot.201600706 ↗
88. McCoy · ACS Nano · 2018 · 12 · 354110.1021/acsnano.8b00528 ↗
89. Uchida · ACS Nano · 2018 · 12 · 94210.1021/acsnano.7b06049 ↗
90. Edwards · J. Mater. Chem. B · 2016 · 4 · 537510.1039/C6TB01175F ↗
91. McCoy · Biomacromolecules · 2018 · 19 · 373810.1021/acs.biomac.8b00867 ↗
92. Patterson · ACS Chem. Biol. · 2014 · 9 · 35910.1021/cb4006529 ↗
93. Glasgow · ACS Synth. Biol. · 2015 · 4 · 101110.1021/acssynbio.5b00037 ↗
94. Glasgow · ACS Nano · 2012 · 6 · 865810.1021/nn302183h ↗
95. Giessen · ChemBioChem · 2016 · 17 · 193110.1002/cbic.201600431 ↗
96. Fiedler · Angew. Chem., Int. Ed. · 2010 · 49 · 964810.1002/anie.201005243 ↗
97. Stehle · Structure · 1996 · 4 · 16510.1016/S0969-2126(96)00020-2 ↗
98. Inoue · J. Biotechnol. · 2008 · 134 · 18110.1016/j.jbiotec.2007.12.006 ↗
99. Drews · Arch. Mikrobiol. · 1956 · 24 · 14710.1007/BF00408629 ↗
100. Kerfeld · Trends Microbiol. · 2015 · 23 · 2210.1016/j.tim.2014.10.003 ↗