โครงสร้าง EM ของโปรตีน encpasulin (EncA) จาก Myxococcus xanthus รหัส PDB 4pt2
ตัวระบุ
เครื่องหมาย	ลิโนซิน_เอ็ม18
พีแฟม	PF04454
อินเตอร์โปร	IPR007544
โครงสร้างโปรตีนที่มีอยู่: พีดีบี   IPR007544 PF04454 ( ECOD ; PDBsum )   อัลฟาโฟลด์ IPR007544 PF04454

เอนแคปซูลินเป็นโปรตีนในกลุ่มแบคทีเรียที่ทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบโครงสร้างหลักของนาโนคอมพาร์ตเมนต์เอนแคปซูลิ น ^{[ 1 ]}มีโปรตีนเอนแคปซูลินหลายชนิด ได้แก่ EncA ซึ่งเป็นส่วนประกอบของเปลือก และ EncB, EncC และ EncD ซึ่งเป็นส่วนประกอบของแกนกลาง^{[ 1 ]}พบได้ในแบคทีเรียและอาร์เคีย พวกมันทำหน้าที่เป็นโครงสร้างภายในเซลล์ที่แบ่งส่วนปฏิกิริยาทางชีวเคมีเฉพาะ พวกมันเป็นระบบที่มีความหลากหลายสูงและปกป้องโปรตีนที่บรรจุจากความเสียหายจากสิ่งแวดล้อม และเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการเอนไซม์ให้เหมาะสมที่สุด

เอนแคปซูลินใช้ในชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ จุลชีววิทยา ชีววิทยาโครงสร้าง นาโนเทคโนโลยี และเทคโนโลยีชีวภาพ การค้นพบเอนแคปซูลินทำได้ยากเนื่องจากมีความคล้ายคลึงกับโปรตีนของฟาจ^{[ 2 ]}

เอนแคปซูลินถูกค้นพบในปี 1994 ในฐานะกลุ่มใหม่ของช่องเก็บสารในโปรคาริโอต^{[ 3 ]}เซลล์โปรคาริโอตมักขาดช่องเก็บสารที่มีเยื่อหุ้มเซลล์แบบที่พบ ในยู คาริ โอต แต่กลับมีช่องเก็บสารโปรตีนจำนวนมากที่สามารถสะสมโมเลกุลได้จำนวนมาก^{[ 3 ]}ระบบเอนแคปซูลินถูกระบุครั้งแรกโดยใช้ชีวสารสนเทศ ที่เชื่อมโยงโปรตีนคล้ายแคปซิดกับโอเปรอนเฉพาะใน จีโนมของแบคทีเรียและอาร์เคี ย^{[ 4 ​​]}

เมื่อมีการค้นพบนาโนคอมพาร์ตเมนต์ของโปรตีนในปี 1994 และต่อมาได้รับการตั้งชื่อใหม่ว่าเอนแคปซูลิน ก็พบว่าอยู่ในของเหลวเหนือตะกอนของวัฒนธรรมBrevibacterium linens ^{[ 3 ]}แบคทีเรียชนิดนี้มีอยู่บนผิวหนังของมนุษย์

ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2537 มีการระบุระบบมากกว่า 6,000 ระบบในแบคทีเรีย 31 ไฟลัมและอาร์เคีย 4 ไฟลัม^{[ 5 ]}นอกจากนี้ยังพบว่าเอนแคปซูลินพบได้ใน สิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในสภาพ แวดล้อมสุดขั้วที่อาศัยอยู่ในปล่องภูเขาไฟ ใต้ทะเล ^{[ 6 ]}

ในปี 2551 เอนแคปซูลินได้รับการระบุว่าเป็นระบบที่ใช้โปรตีนในการแบ่งส่วน ซึ่งทำหน้าที่เฉพาะภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต^{[ 4 ]}ปี 2551 ยังเป็นปีที่เริ่มมีการเรียกเอนแคปซูลินว่าเอนแคปซูลิน ความก้าวหน้าล่าสุดในด้านเมตาจีโนมิกส์ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบไครโอและการวิเคราะห์โครงสร้างผลึกด้วยรังสีเอกซ์ได้ขยายความหลากหลายที่รู้จักและเปิดเผยรายละเอียดที่ซับซ้อนมากขึ้นเกี่ยวกับการประกอบและการทำงานของเอนแคปซูลิน

เปลือกเอนแคปซูลินประกอบด้วย คอมเพล็กซ์ ไอโคซาเฮดรัล (12 จุดยอด 20 หน้า 30 ขอบ) ที่เกิดขึ้นจากการประกอบตัวเองของโปรโตเมอร์ [ ^{3 ] เปลือก}เอนแคปซูลินเหล่านี้มีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 24 ถึง 42 นาโนเมตร และถูกกำหนดโดยโครงสร้าง HK97 ของโปรตีนเปลือก^{[ 4 ]}โปรโตเมอร์โครงสร้าง HK97 มีรูปร่างคล้ายสามเหลี่ยมและประกอบด้วยโดเมนที่อนุรักษ์ไว้ 3 โดเมน ได้แก่ โดเมนแกน โดเมนรอบนอก และลูปที่ยื่นออกมา ขนาดและความสมมาตรของแคปซิดถูกกำหนดโดยเลขสามเหลี่ยม (T) ซึ่งกำหนดจำนวนหน่วยย่อยในการประกอบ ตัวอย่างเช่น:

• เอนแคปซูลิน T = 1 (จากThermotoga martima ) ประกอบด้วยโปรโตเมอร์ 60 ตัว
• T = 3 เอนแคปซูลิน ( Pyrococcus furiosus ) ประกอบด้วยโปรโตเมอร์ 180 ตัว
• T = 4 เอนแคปซูลิน ( Quasibacillus thermotolerans ) ประกอบด้วยโปรโตเมอร์ 240 ตัว^{[ 7 ]}

เอนแคปซูลินทำหน้าที่ทางสรีรวิทยาหลายอย่าง รวมถึงการเร่งปฏิกิริยาเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับสารออกฤทธิ์ การล้างพิษเหล็กและการเก็บสะสมแร่ธาตุ การตอบสนองต่อความเครียดจากออกซิเดชัน และการเผาผลาญรอง นอกจากนี้ยังมี เอนแคปซูลินที่คล้าย เฟอร์ริตินด้วย^{[ 2 ]}เอนแคปซูลินจากแบคทีเรียและจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมสุดขั้วสามารถทนต่อช่วงอุณหภูมิและค่า pH ที่กว้างได้ นอกจากนี้ยังสามารถออกแบบให้มีโปรตีนหลอมรวมเปลือกที่สัมผัสกับพื้นผิวได้^{[ 8 ]}

เอนแคปซูลินจะห่อหุ้มโปรตีนเป้าหมายอย่างเลือกสรรผ่านการกำหนดเป้าหมาย โดยใช้เปปไทด์กำหนดเป้าหมายที่ปลาย C (TPs) ที่พบในเอนแคปซูลินตระกูลที่ 1 และโดเมนกำหนดเป้าหมายที่ปลาย N (TDs) ที่พบในเอนแคปซูลินตระกูลที่ 2 เปปไทด์เหล่านี้จะโต้ตอบกับส่วนภายในของเปลือกในระหว่างการประกอบตัวเอง ทำให้สามารถบรรจุโปรตีนเป้าหมายได้อย่างแม่นยำ การวิจัยนี้มุ่งเน้นไปที่การประยุกต์ใช้ในชีววิทยาเชิงสังเคราะห์^{[ 6 ]}

ระบบเอ็นแคปซูลินถูกเข้ารหัสอยู่ในโอเปรอนร่วมกับโปรตีนเป้าหมาย และบางครั้งก็ร่วมกับยีนเสริม โอเปรอนเหล่านี้ได้รับการอนุรักษ์ไว้ในสิ่งมีชีวิตหลากหลายชนิด และอาจประกอบด้วย:

• ยีนสำหรับโปรตีนขนส่งหนึ่งตัวหรือหลายตัวที่มีเปปไทด์เป้าหมายจำเพาะ
• ยีนควบคุมหรือยีนเสริมที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานหรือการโต้ตอบกับวิถีทางอื่นๆ
• ยีนที่เข้ารหัสโปรตีนเปลือกหุ้มเอนแคปซูลิน

เอนแคปซูลินสามารถจำแนกออกเป็นสี่กลุ่มหลักตามชนิดของสารที่บรรจุอยู่ภายในและโครงสร้างของโอเปรอน

เอนแคปซูลินเหล่านี้น่าจะวิวัฒนาการขึ้นเพื่อตอบสนองต่อความต้องการในการรักษาสมดุลของธาตุเหล็กภายในเซลล์ เอนแคปซูลินในกลุ่มนี้มักจะห่อหุ้มเพอร์ออกซิเดสหรือโปรตีนคล้ายเฟอร์ริ ติน ^{[ 9 ]}มีลักษณะเฉพาะคือโปรตีนเปลือกเอนแคปซูลินที่เข้ารหัสควบคู่ไปกับโปรตีนคล้ายเฟอร์ริตินเป็นสารบรรจุ โอเปรอนมักจะรวมถึงยีนสำหรับ เอนไซม์ เฟอร์รอกซิเดส ซึ่งมีความสำคัญต่อการออกซิเดชันของธาตุเหล็ก พวกมันอยู่ในกลุ่ม Pfam (โปรตีนห่อหุ้มเพอร์ออกซิเดส) และใช้การกำหนดเป้าหมายที่ปลาย C สั้นๆ (TPs) สำหรับการบรรจุสารบรรจุ เอนแคปซูลินในกลุ่มนี้ให้สภาพแวดล้อมที่ควบคุมได้สำหรับการจัดเก็บและกำจัดพิษของธาตุเหล็ก รวมถึงป้องกันความเครียดจากออกซิเดชัน

ตระกูลนี้เป็นตระกูลที่ใหญ่ที่สุด ระบบของพวกมันพบได้ในไฟลัมแบคทีเรียหลายไฟลัม โดยปกติแล้วพวกมันจะเกี่ยวข้องกับเอนไซม์ขนส่งต่างๆ เช่นซิสเทอีนดีซั ลฟู เรส โพ ลีพรีนิลทรานส เฟอเรส เทอร์พีน ไซเคลส และไซลูโลสไคเนส [ ^{6 ] ตระกูล}นี้สามารถมีโดเมนที่จับกับนิวคลีโอไทด์โมโนฟอสเฟตแบบวงจร (cNMP) และใช้โดเมนกำหนดเป้าหมายปลาย N ที่ใหญ่กว่า (TDs) สำหรับการห่อหุ้มสารขนส่ง^{[ 9 ]}ตระกูลนี้แบ่งออกเป็นตระกูลย่อย 2A และ 2B โดย 2A มีลักษณะเด่นคือการมีโดเมนที่จับกับ cNMP ตระกูลของเอนแคปซูลินนี้มักจะห่อหุ้มเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการเผา ผลาญกำมะถันและ คาร์บอน

ตระกูลนี้คือตระกูลแคปซิดของฟาจ เอนแคปซูลินเหล่านี้พบได้เป็นหลักภายในคลัสเตอร์ยีนชีวสังเคราะห์^{[ 9 ]}พวกมันเกี่ยวข้องกับวิถีเฉพาะในแอคติโนแบคทีเรียและโปรตีโอแบคทีเรีย โอเปรอนของพวกมันอาจมีปฏิสัมพันธ์กับลิปิดปัจจุบันพวกมันยังเป็นเพียงสมมติฐานและขาดการตรวจสอบเชิงทดลอง^{[ 10 ]}

ตระกูลนี้คือตระกูลโปรตีนที่มีโดเมน DUF1884 ของเอนแคปซูลิน^{[ 9 ]}พวกมันมีรูปแบบที่สั้นลงของโครงสร้าง HK97 และถือว่าเป็นโครงสร้างที่คาดการณ์ได้ โดยความสามารถในการประกอบตัวเองและห่อหุ้มโปรตีนบรรทุกยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด^{[ 10 ]}ตระกูลนี้จำกัดอยู่เฉพาะจุลินทรีย์ที่ชอบอุณหภูมิสูงและไม่ใช้ออกซิเจนจากปล่องภูเขาไฟใต้ทะเล มีการตั้งสมมติฐานว่าพวกมันสร้างนาโนคอมพาร์ตเมนต์เฉพาะที่ปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

เอนแคปซูลินได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลายและกำลังได้รับความสนใจมากขึ้นในด้านวิศวกรรมชีวโมเลกุลและโปรตีน เนื่องจากคุณสมบัติการประกอบตัวเองที่แข็งแกร่งและความง่ายในการออกแบบ พวกมันถูกนำไปใช้และมีศักยภาพอย่างมากในด้านต่างๆ ดังนี้:

• การส่งยา: ออกแบบมาเพื่อการส่งสารบำบัดไปยังเป้าหมาย^{[ 10 ]}
• การถ่ายภาพ: ปรับปรุงคุณสมบัติเพื่อใช้เป็นสารเพิ่มความคมชัดในการถ่ายภาพ MRI
• วัคซีน: การแสดงแอนติเจนบนพื้นผิวเพื่อใช้ในการพัฒนาวัคซีน เช่น การศึกษาแอนติเจนของไวรัส SARS-CoV-2
• เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ: ใช้เป็นภาชนะนาโนสำหรับปฏิกิริยาเอนไซม์^{[ 3 ]}
• ไบโอเซนเซอร์: ใช้ประโยชน์จากความจำเพาะในการห่อหุ้มเพื่อจับโลหะสำหรับเครื่องมือวินิจฉัยโรค

งานวิจัยล่าสุดและที่กำลังดำเนินอยู่มีเป้าหมายเพื่อค้นพบระบบเอนแคปซูลินใหม่ผ่านเมตาจีโนมิกส์ และเพื่อสำรวจศักยภาพทางเทคโนโลยีชีวภาพของระบบเหล่านี้ต่อไป ในชีววิทยาสังเคราะห์ งานวิจัยมุ่งเน้นไปที่การออกแบบระบบเอนแคปซูลินเพื่อทำงานใหม่ๆ เช่น การสังเคราะห์ยาหรือการบำบัดทางชีวภาพ^{[ 8 ]}