北京時間8月26日23時，Nature雜誌在線發表西湖大學生命科學學院盧培龍研究員課題組與華盛頓大學David Baker等課題組合作的人工設計跨膜蛋白質的最新研究：《跨膜孔蛋白的計算機輔助設計》(Computational Design of Transmembrane Pores)。該研究在世界上首次實現了跨膜孔蛋白的精確從頭設計。華盛頓大學徐純福博士和西湖大學生命科學學院盧培龍研究員為該文的共同第一作者， 盧培龍研究員、華盛頓大學William A. Catterall教授和David Baker教授為該文的共同通訊作者。此外，大阪大學、劍橋大學的多位研究人員也在該項研究中作出重要貢獻。此外，大阪大學、劍橋大學的多位研究人員也在該項研究中作出重要貢獻。
全文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2646-5
(一)從三個基本概念說起
要理解這項研究，首先要從3個基本概念說起：膜蛋白、通道蛋白/跨膜孔蛋白和蛋白質設計。膜蛋白是指生物膜上的蛋白質，是生物膜功能的主要承擔者，介導了細胞與外界環境之間的物質交換與信息傳遞，並且是能量代謝的重要參與者。如果我們把細胞想像成一間屋子，那膜蛋白就是這間屋子的窗戶，陽光、空氣不斷通過這個屋子的不同窗戶與室內進行交換。通道蛋白，是膜蛋白的一種，相當於這間屋子其中一扇窗戶，作為物質跨膜轉運的通道，它在神經信號傳遞、細胞程序性死亡等複雜的生理活動中起到了至關重要的作用，是很多重大人類疾病的藥物作用靶點，也作為蛋白質工具被廣泛應用於生物技術與研究。本次研究所設計的跨膜孔蛋白，就隸屬於通道蛋白。蛋白質設計是合成生物學領域的核心技術和新興的前沿學科。蛋白質設計通過編排蛋白質的胺基酸序列，使其能夠自發摺疊形成所需要的三維結構，並具有一定的功能。蛋白質的從頭設計，即完全基於生物物理與生物化學原理，不依賴現有的天然蛋白質結構，從頭搭建、設計具有全新結構和全新功能的蛋白質，可以幫助我們探索整個蛋白質序列摺疊空間。較之大自然界演化的蛋白質，人工設計的蛋白質，能在性能方面夠好滿足我們特定的需求。
(二)盧培龍他們做了什麼?
在本項研究中，盧培龍實驗室與合作團隊一起，成功設計了由兩層ɑ螺旋同心環組成的2種跨膜孔蛋白(圖1)，分別可以選擇性通透不同分子尺寸以及帶電性質的溶質。
兩層ɑ螺旋同心環組成的跨膜孔蛋白結構示意圖
首先，研究人員通過對ɑ螺旋結構進行參數化設計，設計了由12個螺旋和16個螺旋組成的水溶性形式的孔蛋白。其中,12螺旋的孔蛋白(六聚體)孔徑約為3.3 Å ,16螺旋的孔蛋白(八聚體)孔徑約為10 Å。通過對設計孔蛋白進行重組表達、純化、鑑定與結構驗證, 研究人員證明所設計的孔蛋白性質非常穩定(比如結構較之天然蛋白，具備對高溫更好的耐受性)，並具有與計算設計模型相一致的三維結構。
本研究所設計的16個螺旋組成的跨膜孔蛋白的3D列印模型
在此基礎上，研究人員設計了相應的跨膜孔蛋白。電生理實驗表明，12螺旋跨膜通道蛋白可以通透離子，並且具有對鉀離子的選擇性;換句話說，這種蛋白可以特異性選擇通透某一種離子。在脂質體實驗中, 16螺旋跨膜納米孔蛋白可以通透分子量約為1000道爾頓的螢光分子,而12螺旋通道蛋白則不能;即該種孔蛋白作為「篩子」，也對分子的空間大小有所要求，當分子滿足這個「孔」的「大小」，就可以穿透;這也與兩種孔蛋白各自的孔徑相符。最後,研究人員解析了16螺旋跨膜納米孔蛋白的冷凍電鏡結構，與設計模型非常一致，證明了所開發的從頭設計方法的準確性。這項研究是世界上第一次實現對跨膜孔蛋白質的精確從頭設計，有助於人們更好地理解物質跨膜轉運，即細胞在新陳代謝等生命活動過程中進行正常物質交換的基本原理，為人工設計具有重要功能的跨膜蛋白質奠定了堅實的基礎。這也為人工蛋白質後續可能的應用打開了大門，有望為納米孔基因測序、分子檢測等生物技術提供新的檢測手段。例如：人工設計具有特殊通道結構的納米孔蛋白，可應用於納米孔測序技術，提高DNA納米孔測序技術的精度;人工設計全新配體門控的通道蛋白，將能推進基於通道蛋白的分子檢測技術等。相當於我們可以在一間屋子裡設計不同的「窗戶」，實現不同的功能。
(三)最大的挑戰是「控制它的形狀」
盧培龍長期致力於蛋白質設計方向的研究，早在2018年，他就實現了多次跨膜蛋白三維結構的精確設計，證明了計算機設計的蛋白質序列可以在膜環境中自發摺疊形成與設計模型一致的穩定三維結構(研究成果發表於Science雜誌https://science.sciencemag.org/content/359/6379/1042)。本次研究是基於以往研究成果取得的最新突破。
盧培龍研究員與跨膜孔蛋白模型
它的難度在於，跨膜孔蛋白/通道蛋白與跨膜蛋白一樣，都屬於膜蛋白，但是具有更大的比表面積和相對低密度的分子內相互作用，從頭設計跨膜孔蛋白的難度更為艱巨;同時，進一步來講，如何在設計跨膜孔蛋白結構基礎之上，實現選擇性離子轉運和小分子通透的功能，也面臨著巨大挑戰。也就是說，在研究過程中，如何設計胺基酸的序列排布，自發形成特定結構的孔蛋白，讓在微小尺寸上的蛋白質「長成特定的樣子」，並具有特定的轉運功能，是研究的重難點。研究團隊進行過兩個版本的設計，首個版本的孔蛋白在空間上具有更為捲曲的超螺旋，因此並沒有形成穩定的孔蛋白;他們對設計進行了持續的改進、驗證，對孔蛋白空間結構參數進行了調整，最終獲得了成功。接下來，西湖大學盧培龍研究組將繼續通過蛋白質設計，為人類提供全新的蛋白質設計方法和自然界中不存在的蛋白質工具，滿足生物技術與生物醫學領域的需求。在這項研究中，蛋白質從頭設計工作得到西湖大學高性能計算平臺的支持，冷凍電鏡數據採集於西湖大學冷凍電鏡平臺，蛋白質質譜分析完成於西湖大學質譜平臺;本工作獲得了國家自然科學基金委、西湖大學、騰訊基金會的經費支持。