上海時(shí)間8月26日23時(shí)，刊物在線發(fā)表西湖學(xué)院生命科學(xué)大學(xué)盧培龍研究員課題組與芝加哥學(xué)院DavidBaker等課題組合作的人工設(shè)計(jì)跨膜蛋白質(zhì)的最新研究：《跨膜孔蛋白的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)》（ofPores）。該研究在世界上首次實(shí)現(xiàn)了跨膜孔蛋白的精確從頭設(shè)計(jì)。
芝加哥學(xué)院徐純福博士和西湖學(xué)院生命科學(xué)大學(xué)盧培龍研究員為該文的共同第一作者，盧培龍研究員、華盛頓學(xué)院A.院士和DavidBaker院長(zhǎng)為該文的共同通信作者。據(jù)悉，札幌學(xué)院、劍橋?qū)W院的多位研究人員也在該項(xiàng)研究中做出重要貢獻(xiàn)。
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（一）從三個(gè)基本概念說起
要理解這項(xiàng)研究，首先要從3個(gè)基本概念說起：膜蛋白、通道蛋白/跨膜孔蛋白和蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)。
膜蛋白是指生物膜上的蛋白質(zhì)，是生物膜功能的主要承當(dāng)者，介導(dǎo)了細(xì)胞與外界環(huán)境之間的物質(zhì)交換與信息傳遞，而且是能量代謝的重要參與者。假如我們把細(xì)胞想像成一間房間，那膜蛋白就是這間房間的陽(yáng)臺(tái)，陽(yáng)光、空氣不斷通過這個(gè)房間的不同陽(yáng)臺(tái)與室外進(jìn)行交換。
通道蛋白，是膜蛋白的一種，相當(dāng)于這間房間其中一扇窗子，作為物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的通道，它在神經(jīng)訊號(hào)傳遞、細(xì)胞程序性死亡等復(fù)雜的生理活動(dòng)中起到了至關(guān)重要的作用，是好多重大人類癌癥的抗生素作用靶向，也作為蛋白質(zhì)工具被廣泛應(yīng)用于生物技術(shù)與研究。本次研究所設(shè)計(jì)的跨膜孔蛋白，就隸屬于通道蛋白。
蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)是合成生物學(xué)領(lǐng)域的核心技術(shù)和新興的前沿學(xué)科。蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)通過編排蛋白質(zhì)的多肽序列，使其能否自發(fā)折疊產(chǎn)生所須要的三維結(jié)構(gòu)，并具有一定的功能。蛋白質(zhì)的從頭設(shè)計(jì)，即完全基于生物化學(xué)與生物物理原理，不依賴現(xiàn)有的天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，從頭搭建、設(shè)計(jì)具有全新結(jié)構(gòu)和全新功能的蛋白質(zhì)，可以幫助我們探求整個(gè)蛋白質(zhì)序列折疊空間。較之大自然界演變的蛋白質(zhì)，人工設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)，能在性能方面夠好滿足我們特定的需求。
（二）盧培龍她們做了哪些？
在本項(xiàng)研究中，盧培龍實(shí)驗(yàn)室與合作團(tuán)隊(duì)一起，成功設(shè)計(jì)了由兩層ɑ螺旋同心環(huán)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規(guī)格以及帶電性質(zhì)的溶質(zhì)。
圖1.兩層ɑ螺旋同心環(huán)組成的跨膜孔蛋白結(jié)構(gòu)示意圖
首先，研究人員通過對(duì)ɑ螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了由12個(gè)螺旋和16個(gè)螺旋組成的水溶性方式的孔蛋白。其中,12螺旋的孔蛋白（六聚體）孔徑約為3.3?,16螺旋的孔蛋白（八聚體）孔徑約為10?。通過對(duì)設(shè)計(jì)孔蛋白進(jìn)行重組抒發(fā)、純化、鑒定與結(jié)構(gòu)驗(yàn)證,研究人員證明所設(shè)計(jì)的孔蛋白性質(zhì)十分穩(wěn)定（例如結(jié)構(gòu)較之天然蛋白，具備對(duì)低溫更好的耐受性），并具有與估算設(shè)計(jì)模型相一致的三維結(jié)構(gòu)。
圖2.本研究所設(shè)計(jì)的16個(gè)螺旋組成的跨膜孔蛋白的3D復(fù)印模型
在此基礎(chǔ)上，研究人員設(shè)計(jì)了相應(yīng)的跨膜孔蛋白。電生理實(shí)驗(yàn)表明，12螺旋跨膜通道蛋白可以通透離子，而且具有對(duì)鉀離子的選擇性；換句話說，這些蛋白可以特異性選擇通透某一種離子。在脂類體實(shí)驗(yàn)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(duì)分子的空間大小有所要求，當(dāng)分子滿足這個(gè)“孔”的“大小”，就可以穿透；這也與兩種孔蛋白各自的孔徑相符。最后,研究人員解析了16螺旋跨膜納米孔蛋白的冷藏電鏡結(jié)構(gòu)，與設(shè)計(jì)模型十分一致，證明了所開發(fā)的從頭設(shè)計(jì)方式的確切性。
這項(xiàng)研究是世界上第一次實(shí)現(xiàn)對(duì)跨膜孔蛋白質(zhì)的精確從頭設(shè)計(jì)，有助于人們更好地理解物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，即細(xì)胞在新陳代謝等生命活動(dòng)過程中進(jìn)行正常物質(zhì)交換的基本原理，為人工設(shè)計(jì)具有重要功能的跨膜蛋白質(zhì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
這也為人工蛋白質(zhì)后續(xù)可能的應(yīng)用打開了房門，有望為納米孔基因測(cè)序、分子檢查等生物技術(shù)提供新的測(cè)量手段。諸如：人工設(shè)計(jì)具有特殊通道結(jié)構(gòu)的納米孔蛋白，可應(yīng)用于納米孔測(cè)序技術(shù)，提升DNA納米孔測(cè)序技術(shù)的精度；人工設(shè)計(jì)全新官能團(tuán)門控的通道蛋白，將能推動(dòng)基于通道蛋白的分子測(cè)量技術(shù)等。相當(dāng)于我們可以在一間房間里設(shè)計(jì)不同的“窗戶”，實(shí)現(xiàn)不同的功能。
（三）最大的挑戰(zhàn)是“控制它的形狀”
盧培龍常年旨在于蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)方向的研究，早在2018年，他就實(shí)現(xiàn)了多次跨膜蛋白三維結(jié)構(gòu)的精確設(shè)計(jì)，證明了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)序列可以在膜環(huán)境中自發(fā)折疊產(chǎn)生與設(shè)計(jì)模型一致的穩(wěn)定三維結(jié)構(gòu)（研究成果發(fā)表于刊物）。本次研究是基于往年研究成果取得的最新突破。
圖3.盧培龍研究員與跨膜孔蛋白模型
它的難度在于，跨膜孔蛋白/通道蛋白與跨膜蛋白一樣細(xì)胞膜水通道，都屬于膜蛋白，并且具有更大的比表面積和相對(duì)低密度的分子內(nèi)互相作用，從頭設(shè)計(jì)跨膜孔蛋白的難度更為繁重；同時(shí)，進(jìn)一步來講，怎樣在設(shè)計(jì)跨膜孔蛋白結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)選擇性離子轉(zhuǎn)運(yùn)和小分子通透的功能，也面臨著巨大挑戰(zhàn)。也就是說，在研究過程中，怎樣設(shè)計(jì)多肽的序列排布，自發(fā)產(chǎn)生特定結(jié)構(gòu)的孔蛋白，讓在微小規(guī)格上的蛋白質(zhì)“長(zhǎng)成特定的樣子”，并具有特定的轉(zhuǎn)運(yùn)功能，是研究的重難點(diǎn)。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行過兩個(gè)版本的設(shè)計(jì)，首個(gè)版本的孔蛋白在空間上具有更為蜷曲的超螺旋細(xì)胞膜水通道，因而并沒有產(chǎn)生穩(wěn)定的孔蛋白；她們對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了持續(xù)的改進(jìn)、驗(yàn)證，對(duì)孔蛋白空間結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，最終獲得了成功。
接出來，西湖學(xué)院盧培龍研究組將繼續(xù)通過蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)，為人類提供全新的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)方式和自然界中不存在的蛋白質(zhì)工具，滿足生物技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的需求。
在這項(xiàng)研究中，蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)工作得到西湖學(xué)院高性能估算平臺(tái)的支持，冷藏電鏡數(shù)據(jù)采集于西湖學(xué)院冷藏電鏡平臺(tái)，蛋白質(zhì)質(zhì)譜剖析完成于西湖學(xué)院質(zhì)譜平臺(tái)；本工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委、西湖實(shí)驗(yàn)室、騰訊基金會(huì)的經(jīng)費(fèi)支持。