全球首次!西湖大学32岁青年科学家联合多国学者,实现跨膜孔蛋白精确从头设计

科学
全球首次!西湖大学32岁青年科学家联合多国学者,实现跨膜孔蛋白精确从头设计
麻省理工科技评论 2020-08-27

2020-08-27

这种新型蛋白质材料可用生物技术和生物医药领域。
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这种新型蛋白质材料可用生物技术和生物医药领域。

一支中美联合研究团队,在全球首次完成了跨膜孔蛋白的精确从头设计,这些具有不同孔径的跨膜孔蛋白,可以选择性通透不同分子尺寸或带电性质的溶质。这一研究成果,有助于人们更好地理解物质跨膜转运的基本原理,也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。

“我们可以通过设计一些全新的蛋白,来获得全新的功能,甚至超越自然界中现存的蛋白质。就相当于人类创造的飞机、飞船等工具,比鸟飞的更高、更快。” 西湖大学生命科学学院研究员卢培龙告诉 DeepTech。他是这项研究的主要参与者之一。

相关论文于 8 月 26 日发表在顶级学术期刊《自然》杂志(Nature)上。其中,华盛顿大学徐纯福博士和卢培龙是共同第一作者, 卢培龙、华盛顿大学威廉 · 卡特罗尔(William A. Catterall)教授和大卫 · 贝克教授(David Baker)为该文的共同通讯作者。值得一提的是,大卫 · 贝克是人工设计蛋白领域当之无愧的 “大神”、领军人物。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。

全球首次!西湖大学科学家联合多国学者精确从头设计跨膜孔蛋白

(来源:Nature)

人工创造新型蛋白质

蛋白质,是一切生命的物质基础,它无处不在,参与细胞生命活动的每一个进程,帮助消化食物、收缩肌肉、激发神经元、为免疫系统提供能量......

大自然仅仅使用 20 种氨基酸便合成了各种各样的蛋白质,为生命体提供了不断适应自然变化的能力,蛋白质具有怎样的生物功能取决于它的结构和化学组分。

如果人类可以自由设计蛋白质,为它们赋予各种各样的功能,未来世界会怎样呢?

人工设计的、具有全新结构和全新功能的蛋白质,将会广泛应用于生物医药和生物技术领域并产生深远影响。大卫·贝克认为,通过设计新型蛋白质可以解决人类面临的诸多挑战,比如制造一种通用流感疫苗,一次注射,终生预防;将氨基酸的种类由 20 种扩大到数千种,设计新的疾病治疗方案;制造先进的药物运输载体,精准定位体内目标;设计可在体内进行计算的智能疗法;以及受生物材料启发,设计新型蛋白质材料等。

科学家受鸟类启发揭示了空气动力学的原理,然后工程师利用这些原理设计了定制的飞行器。以同样的方式,科学家们希望基于蛋白质折叠的基本原理,通过技术革命来设计新型蛋白质。

在此次研究中,卢培龙在跨膜孔蛋白 / 通道蛋白方向取得了突破性成果。作为物质跨膜转运的通道,跨膜孔蛋白 / 通道蛋白在细胞程序性死亡、神经信号传递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。

卢培龙表示,“它是一个结构上均一的跨膜纳米孔元件,可以将其作为一种新型的蛋白质材料,应用在生物技术和生物医药领域。”

比如,可以将离子通道蛋白用在小分子传感器上,其中一个目标是针对代谢产物、毒素等特定类型的小分子,设计小分子门控的离子通道,在有小分子存在的情况下,可以特异性选择打开离子通道,产生一定的电信号,得以感知。

全球首次:跨膜孔蛋白的精确从头设计

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,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。

蛋白质从头设计是指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,可以探索整个蛋白质序列折叠空间。

“长期以来,贝克教授的实验室一直从事蛋白质设计研究,但在我加入之前,他们还没有做过有关膜蛋白设计的研究。”

进入实验室后,卢培龙开始做一些关于膜蛋白的结构的设计,但当时只停留在结构上的精确设计,设计的蛋白质还不具有功能性。

在此基础上,他希望为这些蛋白赋予一定的功能。“最简单的一个功能是,在膜蛋白设计一个特殊的孔道,比如利用大小不一的孔道筛选不同的溶质,溶质如果超过孔道的大小,就无法通过,反之则可以。”

此外,他们不仅可以设计出不同大小的孔道,还可以设计出不同化学性质的孔道,从而对多种溶质分子进行选择性转运或通透;其中包括一种跨膜离子通道蛋白,可以特异性地选择通透钾离子。

全球首次!西湖大学科学家联合多国学者精确从头设计跨膜孔蛋白

图 | 两位共同一作,西湖大学研究员卢培龙(左),华盛顿大学博士后徐纯福(右)

在此次最新的研究成果中,合作团队首次完成了跨膜孔蛋白的精确从头设计。他们通过对 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,证明所设计的孔蛋白性质非常稳定,并具有与计算设计模型相一致的三维结构。在此基础上,他们设计了相应的跨膜孔蛋白。

全球首次!西湖大学科学家联合多国学者精确从头设计跨膜孔蛋白

图 | 两层 ɑ 螺旋同心环组成的跨膜孔蛋白结构示意图

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。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;这也与两种孔蛋白各自的孔径相符。团队进一步解析了 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。

对此,卢培龙表示,该项成果为后续各种可能的应用打开了大门。比如,人工设计具有特殊通道结构的纳米孔蛋白,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,推进基于通道蛋白的分子检测技术等。

“希望更多人参与进来”

卢培龙出生于河北吴桥,本科毕业于中国科学技术大学生命学院,博士期间在清华大学师从施一公教授,2014 年获得博士学位后,到美国华盛顿大学大卫 · 贝克实验室进行博士后工作,2019 年 7 月底回国,全职加入西湖大学任研究员,并组建独立实验室,进行膜蛋白的从头设计研究。

“近期发表的这篇文章,是在美国贝克实验室的科研工作的延续,其中也有很重要的一部分成果是我在加入西湖大学后完成的,包括一部分蛋白质设计、生化鉴定与结构解析等内容。西湖大学的科研环境和学术氛围是一流的,同事、学生和科研平台都非常棒。” 卢培龙说。

一直以来,卢培龙都在从事合成生物学、生物物理学、生物化学与计算生物学多学科交叉研究。在清华大学读博期间,卢培龙的主要工作是从事膜蛋白结构解析和功能研究;在博士后阶段,他开始进行蛋白质的从头设计研究。

2019 年,卢培龙凭借其在蛋白质设计领域取得的一系列成果,入选《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2019年中国榜单。

两年前,他通过模拟蛋白质极性残基在膜环境内部的相互作用,实现了世界上首次跨膜蛋白三维结构的精确设计,从而证明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。

但是,由于跨膜孔蛋白 / 通道蛋白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仍然十分困难,而且在设计跨膜孔蛋白结构基础之上,如何进一步实现选择性离子转运和小分子通透的功能,在当时也面临着巨大挑战。

此次研究正是卢培龙近年在蛋白质从头设计领域的重要成果。经过五年的科研攻关,合作团队最终在世界上首次完成了跨膜孔蛋白的精确从头设计。“我们希望可以设计出各种各样的膜蛋白,比如纳米孔、离子通道、细胞表面的受体和膜上的小分子受体;设计一些重要疾病相关膜蛋白靶标的结合蛋白或者拮抗蛋白,从而作为可能的药物分子调控相关蛋白质的功能;以及开发新型的蛋白质设计方法。”

尽管取得了突出的成果,但卢培龙也表示,这一领域还存在很多有待解决的问题,相关计算和设计方法也还有待发展。

卢培龙希望,未来会有更多的人从事有关蛋白质设计的研究工作,产生一些重量级的科研成果,造福于人类。

“当前,蛋白质设计依然是一个新兴的研究领域,投身在这一领域的人还不是很多;国内外技术差距也并不大,我们需要有更多的人关注并进入这一领域,共同推动蛋白质设计研究的整体发展。”

如今,回国后的卢培龙几乎把个人时间全部给了实验室,他和他的团队仍将致力于蛋白质相关设计这一多学科交叉领域的研究,在功能性膜蛋白质设计、重大疾病相关膜蛋白质的拮抗蛋白质设计和新型蛋白质工具设计等方向上持续攻坚克难。这些研究将会极大地推动蛋白质设计领域的发展,为人类提供前所未有的新型方法和工具应用于生物医学研究,并在生物技术和生物医药领域有着广阔的科研转化前景。

“既然选择了科研,就必须投入大量的时间和精力。在闲暇之余,也只是陪陪家人,打打篮球,锻炼一下身体。” 卢培龙说。

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