Nature亮点丨David Baker让蛋白质从头设计“飞入寻常百姓家”|残基|氨基酸|细胞|膜蛋白|蛋白质

撰文 | 咸姐

责编 | 兮

蛋白质介导了生命体的基本过程，这些过程中蛋白质发挥的美丽而多变的方式成为过去50多年来生物医学研究领域的关注热点。蛋白质生物学功能很大程度由其三维结构决定，预测氨基酸序列如何折叠有助于了解蛋白质如何发挥作用，也由此打开了设计出能够催化特定化学反应或可用作医药、材料的新型蛋白质的道路，从而诞生了蛋白质分子设计这门新兴学科。

蛋白质分子设计过程主要依赖于蛋白质结构的测定和分子模型的建立，按照蛋白质结构功能的关系，综合运用各学科的技术手段，确保获得比天然蛋白质性能更加优越的新型蛋白质，它即可以通过改造已知结构的天然蛋白质分子上的氨基酸残基以研究和改善蛋白质的性质和功能；也可以对来源不同蛋白的结构域进行拼接组装以转移相应的功能，从而获得具有新特点的蛋白质分子；同时还可以完全从头设计全新的蛋白质，使之具有特定的空间结构和预期的功能。与前两类蛋白质设计中的“小改”和“中改”不同，完全从头设计全新的蛋白质，是对蛋白质分子的“大改”，还要使之具有特定的空间结构和预期功能，因此也被视为难以实现的世界性难题，而这道横亘在生物医学与蛋白质结构之间的艰难的壁垒正在被天才科学家David Baker的团队逐渐瓦解。

David Baker

·Henrietta and Aubrey Davis首席生物化学教授

·华盛顿大学蛋白质设计研究所所长

·霍华德·休斯医学研究所研究员

·华盛顿大学基因组科学、生物工程、化学工程、计算机科学和物理学教授

·美国国家科学院和美国科学成员

1998年，David Baker团队开发了一种用于蛋白质结构预测的Rosetta算法平台，利用这个平台构建虚拟的氨基酸链，然后计算出它们最容易折叠的形式；紧接着其团队创建了一个众包性的外延项目Rosetta@home，让人们将闲置的计算机用于需要进行的计算，从而研究所有潜在的蛋白折叠，随后，他们还添加了一个叫作Foldit的在线游戏网站，可以让偏远用户的独特蛋白折叠观点指导Rosetta的计算，这一切使得蛋白质从头设计不再是遥不可及的课题。

随着Rosetta运算能力的稳步提升以及计算能力的日益强大，Baker的团队已经掌握了蛋白折叠的规律，他们已开始利用这些知识尝试“超越大自然的创作物”。在过去的一年里，Baker的工作依旧重要而醒目：

1. 开创了人类从头开始创建和定制复杂的跨膜蛋白的先河，使得制造自然界中没有的跨膜蛋白来完成特定任务成为可能【1】。

2. 首次完全从头开始构建出能够结合一种被称作DFHBI的荧光化合物的β桶圆形蛋白，其可以高精准和高亲和力地结合并作用于特定的小分子靶标上【2】。

3. 第一次从头开始创造自组装螺旋状蛋白质细丝，将有助于人们更好地了解天然蛋白质细丝的结构和力学，并且还将使科学家们能够创造出与自然界中发现的完全不同的全新材料【3】。

4. 经设计后，蛋白质能够精确地配对和结合在一起，就像DNA分子相互配对形成双螺旋一样。这种技术能够设计蛋白纳米机器以便潜在地协助诊断和治疗疾病，允许对细胞进行更加精确的操控并让它们执行各种其他任务【4】。

5. 成功“创造”了一种全新的蛋白质，具有与天然存在的IL-2和IL-15相同的激活抗癌T细胞的能力，但不会引发有害的副作用，为设计治疗癌症、自身免疫疾病和其他疾病的基于蛋白的药物开创了新途径【5】。

6. 创造性地设计出一种对酸产生反应的蛋白质，可通过预测、调节的方式对环境做出反应，其可在中性pH下自行组装成预设的结构，并在酸存在下快速分解。这些动态蛋白可以按照预期方式运动，并利用它们的 pH 依赖性运动来破坏脂质膜（包括细胞内重要的内分体上的脂质膜），有望为向细胞内递送药物提供新的策略【6】。

有着“上帝之手”称号的David Baker对于从头蛋白设计的贡献远不止此，正如哈佛大学合成生物学家George Church所说的“生物医学界几乎所有的东西都会因为能够制作出更好的蛋白质而受到影响”，从头蛋白质设计的时代已经来临！

蛋白质的从头设计的一个原则就是蛋白质在最低自由能状态下的折叠，因此一个新的蛋白结构的设计需要找到在规定结构中最低自由能状态下的氨基酸序列。蛋白设计的一个困难是一条多肽链的构象数量是以指数级别增长的，因此一个可行的主链设计是极其灵活的，而要明确设计的结构比其他结构能量低就更困难了。尽管近年来蛋白质的从头设计有很大发展，但是对于蛋白质从头设计的新手来说，这仍然是一个非常困难的挑战，因为一个新的蛋白质结构的设计需要专业的知识和丰富的创造力与直觉，这是电脑不能完全实现的。

值得庆幸的是， David Baker团队通过优化Foldit的蛋白设计程序，使得即使非专业领域的研究人员也可以精确地从头开始设计全新的蛋白质结构，让蛋白质从头设计得到更广泛的运用，该项目成果于2019年6月6日发表在Nature杂志上，论文题目为De novo protein design by citizen scientists。

Foldit是一个免费的在线蛋白质折叠游戏，提供了对蛋白质模型三维结构的完全控制。一直以来，Foldit都被主要用于蛋白质结构预测问题，参与者提供一段无结构的氨基酸序列，然后决定它的天然结构，例如参与者可以重新设计一个折叠结构的环状区域，但是运用Foldit从头设计整个蛋白仍旧是巨大挑战。因此，Baker团队请了一批参与者反复使用Foldit来从头设计稳定折叠的蛋白质并基于他们的结果反复改良游戏。

在实验的最初阶段，他们发现，Foldit使用者设计的大多数基于能量得出的高分结构都是高度伸展的单一结构，完全由极性残基组成而缺少疏水核心，因而是不稳定的。这就提示了应用绝对能量作为蛋白质设计的优化判断的局限性，即一个基于低能量的设计并不能保证结构的特异性，除非其他所有构象的能量都更高。

鉴于此，为了利用独特编码的序列设计球状溶剂排除的蛋白质折叠，Baker团队向Foldit补充了三条设计规则：1.“核心存在”规则——在设计的结果中规定了疏水残基的最小比例（比如30%）；2.“二级结构设计”规则——在所有二级结构元件中禁止甘氨酸和丙氨酸，以保证只有50%的残基可以形成α-螺旋；3.“残基相互作用能量”规则——在设计的结构中排除分子内相互作用不足的大残基。添加了这些规则后，Foldit玩家得出的高分设计都是紧密的球状蛋白，并且是α/β混合的折叠方式。经过反复设计，36名Foldit玩家获得的56个成功的设计案例的结构呈现出了多样化，表现出20种不同的蛋白折叠，其中之一还是天然蛋白中所没有发现的新折叠。Baker团队最后还成功地获得了四个Foldit玩家设计的蛋白质的高分辨率晶体结构。统计发现，Foldit玩家大多是缺少蛋白质建模的专业知识的人群（图1），但是他们在Foldit蛋白质结构预测过程中获得的知识和直觉使得他们成功地完成了蛋白质的从头设计。