科普来了 | 科学家实现跨膜孔蛋白的精确从头设计
蛋白质可以人为设计吗？人为设计的蛋白质有什么用？前段时间，Nature杂志在线发表西湖大学生命科学学院卢培龙研究员课题组与华盛顿大学David Baker等课题组合作的人工设计跨膜蛋白质的最新研究：《跨膜孔蛋白的计算机辅助设计》（Computational Design of Transmembrane Pores）。该研究在世界上首次实现了跨膜孔蛋白的精确从头设计。
华盛顿大学徐纯福博士和西湖大学生命科学学院卢培龙研究员为该文的共同第一作者，卢培龙研究员、华盛顿大学William A. Catterall教授和David Baker教授为该文的共同通讯作者。此外，大阪大学、剑桥大学的多位研究人员也在该项研究中作出重要贡献。本研究获得了国家自然科学基金委、西湖大学、腾讯基金会的经费支持。
从三个基本概念说起
要理解这项研究，首先要从3个基本概念说起：膜蛋白、通道蛋白/跨膜孔蛋白和蛋白质设计。
膜蛋白是指生物膜上的蛋白质，是生物膜功能的主要承担者，介导了细胞与外界环境之间的物质交换与信息传递，并且是能量代谢的重要参与者。如果我们把细胞想象成一间屋子，那膜蛋白就是这间屋子的窗户，阳光、空气不断通过这个屋子的不同窗户与室内进行交换。
通道蛋白，是膜蛋白的一种，相当于这间屋子其中一扇窗户，作为物质跨膜转运的通道，它在神经信号传递、细胞程序性死亡等复杂的生理活动中起到了至关重要的作用，是很多重大人类疾病的药物作用靶点，也作为蛋白质工具被广泛应用于生物技术与研究。本次研究所设计的跨膜孔蛋白，就隶属于通道蛋白。
蛋白质设计是合成生物学领域的核心技术和新兴的前沿学科。蛋白质设计通过编排蛋白质的氨基酸序列，使其能够自发折叠形成所需要的三维结构，并具有一定的功能。蛋白质的从头设计，即完全基于生物物理与生物化学原理，不依赖现有的天然蛋白质结构，从头搭建、设计具有全新结构和全新功能的蛋白质，可以帮助我们探索整个蛋白质序列折叠空间。较之大自然界演化的蛋白质，人工设计的蛋白质，能在性能方面更好满足我们特定的需求。
卢培龙他们做了什么？
在本项研究中，卢培龙实验室与合作团队一起，成功设计了由两层ɑ螺旋同心环组成的2种跨膜孔蛋白（图1），分别可以选择性通透不同分子尺寸以及带电性质的溶质。
图1. 两层ɑ螺旋同心环组成的跨膜孔蛋白结构示意图
首先，研究人员通过对ɑ螺旋结构进行参数化设计，设计了由12个螺旋和16个螺旋组成的水溶性形式的孔蛋白。其中，12螺旋的孔蛋白（六聚体）孔径约为3.3 Å ，16螺旋的孔蛋白（八聚体）孔径约为10 Å。通过对设计孔蛋白进行重组表达、纯化、鉴定与结构验证， 研究人员证明所设计的孔蛋白性质非常稳定（比如结构较之天然蛋白，具备对高温更好的耐受性），并具有与计算设计模型相一致的三维结构。
图2.本研究所设计的16个螺旋组成的跨膜孔蛋白的3D打印模型
在此基础上，研究人员设计了相应的跨膜孔蛋白。电生理实验表明，12螺旋跨膜通道蛋白可以通透离子，并且具有对钾离子的选择性；换句话说，这种蛋白可以特异性选择通透某一种离子。在脂质体实验中，16螺旋跨膜纳米孔蛋白可以通透分子量约为1000道尔顿的荧光分子，而12螺旋通道蛋白则不能；即该种孔蛋白作为“筛子”，也对分子的空间大小有所要求，当分子满足这个“孔”的“大小”，就可以穿透；这也与两种孔蛋白各自的孔径相符。最后，研究人员解析了16螺旋跨膜纳米孔蛋白的冷冻电镜结构，与设计模型非常一致，证明了所开发的从头设计方法的准确性。
这项研究是世界上第一次实现对跨膜孔蛋白质的精确从头设计，有助于人们更好地理解物质跨膜转运，即细胞在新陈代谢等生命活动过程中进行正常物质交换的基本原理，为人工设计具有重要功能的跨膜蛋白质奠定了坚实的基础。
这也为人工蛋白质后续可能的应用打开了大门，有望为纳米孔基因测序、分子检测等生物技术提供新的检测手段。例如：人工设计具有特殊通道结构的纳米孔蛋白，可应用于纳米孔测序技术，提高DNA纳米孔测序技术的精度；人工设计全新配体门控的通道蛋白，将能推进基于通道蛋白的分子检测技术等。相当于我们可以在一间屋子里设计不同的“窗户”，实现不同的功能。
最大的挑战是“控制它的形状”
卢培龙长期致力于蛋白质设计方向的研究，早在2018年，他就实现了多次跨膜蛋白三维结构的精确设计，证明了计算机设计的蛋白质序列可以在膜环境中自发折叠形成与设计模型一致的稳定三维结构（研究成果发表于Science杂志https://science.sciencemag.org/content/359/6379/1042）。本次研究是基于以往研究成果取得的最新突破。
图3.卢培龙研究员与跨膜孔蛋白模型
它的难度在于，跨膜孔蛋白/通道蛋白与跨膜蛋白一样，都属于膜蛋白，但是具有更大的比表面积和相对低密度的分子内相互作用，从头设计跨膜孔蛋白的难度更为艰巨；同时，进一步来讲，如何在设计跨膜孔蛋白结构基础之上，实现选择性离子转运和小分子通透的功能，也面临着巨大挑战。也就是说，在研究过程中，如何设计氨基酸的序列排布，自发形成特定结构的孔蛋白，让在微小尺寸上的蛋白质“长成特定的样子”，并具有特定的转运功能，是研究的重难点。
研究团队进行过两个版本的设计，首个版本的孔蛋白在空间上具有更为卷曲的超螺旋，因此并没有形成稳定的孔蛋白；他们对设计进行了持续的改进、验证，对孔蛋白空间结构参数进行了调整，最终获得了成功。
接下来，西湖大学卢培龙研究组将继续通过蛋白质设计，为人类提供全新的蛋白质设计方法和自然界中不存在的蛋白质工具，满足生物技术与生物医学领域的需求。
在这项研究中，蛋白质从头设计工作得到西湖大学高性能计算平台的支持，冷冻电镜数据采集于西湖大学冷冻电镜平台，蛋白质质谱分析完成于西湖大学质谱平台。
资料来源：西湖大学、省基金办