蛋白质设计大神David Baker最新成果,响应环境变化的全新蛋白质

近日，Science 杂志刊发了华盛顿大学生物化学教授、霍华德休斯医学研究所蛋白质从头设计大神David Baker 所领导的一项最新成果，研究人员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。

实验结果表明，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。

研究人员表示，这些可以以预定方式运动的合成蛋白质分子可以渗透到细胞核内体中，在药物传递方面大有可为，而对其的设计能力更将推动分子药物的新浪潮。

响应环境变化的全新蛋白质

天然蛋白质常常需要精确地改变形状以发挥其功能。例如，在与氧分子结合时，血液中的蛋白质——血红蛋白会进行弯曲。但是，对于研究人员来说，通过人工设计来实现类似的分子运动则是一项长期挑战。

目前，运送到细胞中的大分子药物常常被滞留在核内体（真核细胞中的膜结合细胞器，属于一种囊泡结构）中动弹不得，无法达到预期的治疗效果。能够逃离核内体的重组病毒是最常用的药物载体，但病毒也有其局限性和缺点。

研究人员认为，仅由设计蛋白组成的药物传递系统可以在没有固有缺陷的情况下与重组病毒传递的效率相媲美。在最新研究中，全新蛋白的破膜能力则有助于改善药物作用。其原理是，细胞中核内体的酸性与其他部分不同，这种酸碱度差异可以作为信号，触发预设的分子运动，从而使其能够破坏核内体膜。

图 | 研究人员从头设计的可通过预测、调节的方式对环境做出反应的全新蛋白质（来源：Ian Haydon/Institute for Protein Design）

破坏细胞膜可能对身体有毒害作用，因此一旦这些蛋白质进入了核内体，必须要在合适的条件和时间对其进行激活，这一点非常重要。为此，研究人员通过加入一种叫做组氨酸的化学物质，实现了其所设计蛋白质的分子运动。在中性（非碱性或酸性）条件下，组氨酸不带电荷；而存在少量酸的情况下，它可吸收正电荷，阻止其参与某些化学反应。这种化学性质使研究小组能够制造出在酸性条件下分解的蛋白质组件。

“设计带有运动部件的新蛋白质是我博士后工作的长期目标。”Baker 实验室的博士后研究员、本次研究论文的主要作者 Scott Boyken 说，“因为我们是从头开始设计这些蛋白质的，所以能够控制组氨酸的确切数量和位置，这使得我们可以调整蛋白质，使其在不同的酸度下分解。”

来自华盛顿大学、俄亥俄州立大学、劳伦斯伯克利国家实验室和霍华德休斯医学院珍妮亚研究院的其他科学家也参与了这项研究。

从头设计蛋白质之路

众所周知，蛋白质是一切生命系统的物质基础，密切参与着从触发免疫反应到大脑思考的每一个生理过程。

而所谓蛋白质设计，就是依赖于蛋白质结构的测定和分子模型的建立，按照蛋白质结构与功能的关系，综合运用各学科的技术手段，获得比天然蛋白质性能更优越的新型蛋白质。

与蛋白质设计中的“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。

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。

在 2017 年发表的一系列论文中，David Baker 博士及其同事公布了他们所做的研究成果。他们设计出数千种不同的蛋白质，它们呈现出科学家们预测的形状，而且与自然界中发现的蛋白质有很大不同。

这种技术的发展带来了深刻的科学进步——蛋白质可以由人而不是自然界设计。“我们现在可以从头开始创造蛋白质，从而实现我们想要的。”David Baker 博士曾说道。

图 | 被 David Baker 称为“死星”的人造蛋白（来源：IPD）

2019 年 1 月，David Baker 所领导的华盛顿大学西雅图蛋白质设计研究所的研究团队，曾在 Nature 杂志发表一项重磅成果，研究人员利用计算机程序创造了一种全新抗癌蛋白，能够模仿 IL-2（白细胞介素 2）抗癌作用的同时，还能避免发生毒副反应。这项成就开辟了基于设计蛋白质的治疗癌症、自身免疫性疾病和其他疾病的新方法。

IL-2 是一种关键的免疫调节蛋白，是治疗自身免疫性疾病的有效方法，也是一种有效的抗癌药物，能够刺激 T 细胞的抗癌能力。然而一直以来，IL-2 严重的毒副作用限制了其巨大的临床应用价值。

研究人员使用 Rosetta 算法平台，从头开始设计模仿 IL-2 设计的全新蛋白 Neo-2/15，在实验室和动物模型中证明，能够紧密结合 IL-2 受体β和γ，激活抗癌免疫细胞，并减缓肿瘤生长，而且由于设计的蛋白质没有α受体的结合位点，因此有效剂量的 Neo-2/15 不会引起毒副作用。

在彻底改变了对蛋白质的研究之后，David Bake 团队现在正在从头开始对它们进行工程改造。David Bake 认为，科学家们很快就能够为各种任务构建精确的分子工具。而他的团队也在将人造蛋白质用于各种用途，包括抗击流感病毒、分解食物中麸质，以及检测极少量阿片类药物。

图 | David Bake（来源：University of Washington）

对于 David Bake 来说，蛋白质从头设计代表了他 25 年研究生涯的巅峰。Rosetta 的最新进展使他能够从期望的功能反向追溯到合适的结构，再到合适的氨基酸序列。他可以使用任何氨基酸，甚至不仅仅是自然界天然存在的 20 种选择。

作为大名鼎鼎的蛋白质设计大师，David Baker 如今已经成为每年诺贝尔奖的最热门人选之一。