Abstract Protein capsids are a widespread form of compartmentalisation in nature. Icosahedral symmetry is ubiquitous in capsids derived from spherical viruses, as this geometry maximises the internal volume that can be enclosed within. Despite the strong preference for icosahedral symmetry, we show that simple point mutations in a virus-like capsid can drive the assembly of novel symmetry-reduced structures. Starting with the encapsulin from Myxococcus xanthus , a 180-mer bacterial capsid that adopts the well-studied viral HK97 fold, we use mass photometry and native charge detection mass spectrometry to identify a triple histidine point mutant that forms smaller dimorphic assemblies. Using cryo-EM, we determine the structures of a precedented 60-mer icosahedral assembly and an unprecedented 36-mer tetrahedron that features significant geometric rearrangements around a novel interaction surface between capsid protomers. We subsequently find that the tetrahedral assembly can be generated by triple point mutation to various amino acids, and that even a single histidine point mutation is sufficient to form tetrahedra. These findings represent the first example of tetrahedral geometry across all characterised encapsulins, HK97-like capsids, or indeed any virus-derived capsids reported in the Protein Data Bank, revealing the surprising plasticity of capsid self-assembly that can be accessed through minimal changes in protein sequence. Significance statement Viral capsids are cage-like protein assemblies that preferentially adopt icosahedral symmetry to maximise their internal volume for housing genetic material. This icosahedral preference extends to encapsulins, a widespread family of bacterial protein cages which evolved from viral capsids. Counter to this fundamental geometric preference, the formation of well-defined tetrahedral cages from a single amino acid substitution in an encapsulin reveals the surprising geometric flexibility of a common viral protein fold. These findings suggest that protein oligomerisation is far more permissive than intuitively expected, where serendipitous interactions between proteins arising from minimal mutations can cascade to form vast architectural changes. The ability to redesign protein architectures through simple mutations should enable biotechnological advances in vaccine development, drug delivery, and enzymatic biomanufacturing.

Abstract Protein cages are a common architectural motif used by living organisms to compartmentalize and control biochemical reactions. While engineered protein cages have recently been featured in the construction of nanoreactors and synthetic organelles, relatively little is known about the underlying molecular parameters that govern cage stability and molecular flux through their pores. In this work, we systematically designed a 24-member library of protein cage variants based on the T. maritima encapsulin, each featuring pores of different size and charge. Twelve encapsulin pore variants were successfully assembled and purified, including eight designs with exceptional and prolonged thermal stability. While pores lined with negatively charged residues resulted in more robust assemblies than their corresponding positively charged variants, we were able to form stable assemblies covering a full range of pore sizes and charges, as observed in seven new cryo-EM structures of pore variants elucidated at resolutions between 2.5-3.6 Å. Alongside these structures, molecular dynamics simulations and stopped flow kinetics experiments reveal the importance of considering both pore size and surface charge, together with flexibility and rate determining steps, when designing protein cages for controlling molecular flux. Abstract Figure