近日，Science 雜志刊發(fā)了華盛頓大學生物化學教授、霍華德休斯醫(yī)學研究所蛋白質(zhì)從頭設計大神David Baker 所領導的一項最新成果，研究人員設計出一種對酸產(chǎn)生反應的蛋白質(zhì)，可通過預測、調(diào)節(jié)的方式對環(huán)境做出反應，其可在中性 pH 下自行組裝成預設的結構，并在酸存在下快速分解。

實驗結果表明，這些動態(tài)蛋白可以按照預期方式運動，并利用它們的 pH 依賴性運動來破壞脂質(zhì)膜（包括細胞內(nèi)重要的內(nèi)分體上的脂質(zhì)膜），有望為向細胞內(nèi)遞送藥物提供新的策略。

研究人員表示，這些可以以預定方式運動的合成蛋白質(zhì)分子可以滲透到細胞核內(nèi)體中，在藥物傳遞方面大有可為，而對其的設計能力更將推動分子藥物的新浪潮。

響應環(huán)境變化的全新蛋白質(zhì)

天然蛋白質(zhì)常常需要精確地改變形狀以發(fā)揮其功能。例如，在與氧分子結合時，血液中的蛋白質(zhì)——血紅蛋白會進行彎曲。但是，對于研究人員來說，通過人工設計來實現(xiàn)類似的分子運動則是一項長期挑戰(zhàn)。

目前，運送到細胞中的大分子藥物常常被滯留在核內(nèi)體（真核細胞中的膜結合細胞器，屬于一種囊泡結構）中動彈不得，無法達到預期的治療效果。能夠逃離核內(nèi)體的重組病毒是最常用的藥物載體，但病毒也有其局限性和缺點。

研究人員認為，僅由設計蛋白組成的藥物傳遞系統(tǒng)可以在沒有固有缺陷的情況下與重組病毒傳遞的效率相媲美。在最新研究中，全新蛋白的破膜能力則有助于改善藥物作用。其原理是，細胞中核內(nèi)體的酸性與其他部分不同，這種酸堿度差異可以作為信號，觸發(fā)預設的分子運動，從而使其能夠破壞核內(nèi)體膜。

圖 | 研究人員從頭設計的可通過預測、調(diào)節(jié)的方式對環(huán)境做出反應的全新蛋白質(zhì)（來源：Ian Haydon/Institute for Protein Design）

破壞細胞膜可能對身體有毒害作用，因此一旦這些蛋白質(zhì)進入了核內(nèi)體，必須要在合適的條件和時間對其進行激活，這一點非常重要。為此，研究人員通過加入一種叫做組氨酸的化學物質(zhì)，實現(xiàn)了其所設計蛋白質(zhì)的分子運動。在中性（非堿性或酸性）條件下，組氨酸不帶電荷；而存在少量酸的情況下，它可吸收正電荷，阻止其參與某些化學反應。這種化學性質(zhì)使研究小組能夠制造出在酸性條件下分解的蛋白質(zhì)組件。

“設計帶有運動部件的新蛋白質(zhì)是我博士后工作的長期目標?！盉aker 實驗室的博士后研究員、本次研究論文的主要作者 Scott Boyken 說，“因為我們是從頭開始設計這些蛋白質(zhì)的，所以能夠控制組氨酸的確切數(shù)量和位置，這使得我們可以調(diào)整蛋白質(zhì)，使其在不同的酸度下分解?！?/p>

來自華盛頓大學、俄亥俄州立大學、勞倫斯伯克利國家實驗室和霍華德休斯醫(yī)學院珍妮亞研究院的其他科學家也參與了這項研究。

從頭設計蛋白質(zhì)之路

眾所周知，蛋白質(zhì)是一切生命系統(tǒng)的物質(zhì)基礎，密切參與著從觸發(fā)免疫反應到大腦思考的每一個生理過程。

而所謂蛋白質(zhì)設計，就是依賴于蛋白質(zhì)結構的測定和分子模型的建立，按照蛋白質(zhì)結構與功能的關系，綜合運用各學科的技術手段，獲得比天然蛋白質(zhì)性能更優(yōu)越的新型蛋白質(zhì)。

與蛋白質(zhì)設計中的“小改”和“中改”不同，完全從頭設計全新的蛋白質(zhì)，是對蛋白質(zhì)分子的“大改”，還要使之具有特定的空間結構和預期功能，因此也被視為難以實現(xiàn)的世界性難題。

1998 年，David Baker 團隊開發(fā)了一種用于蛋白質(zhì)結構預測的 Rosetta 算法平臺，利用這個平臺構建虛擬的氨基酸鏈，然后計算出它們最容易折疊的形式。

在 2017 年發(fā)表的一系列論文中，David Baker 博士及其同事公布了他們所做的研究成果。他們設計出數(shù)千種不同的蛋白質(zhì)，它們呈現(xiàn)出科學家們預測的形狀，而且與自然界中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)有很大不同。

這種技術的發(fā)展帶來了深刻的科學進步——蛋白質(zhì)可以由人而不是自然界設計?！拔覀儸F(xiàn)在可以從頭開始創(chuàng)造蛋白質(zhì)，從而實現(xiàn)我們想要的?！盌avid Baker 博士曾說道。

圖 | 被 David Baker 稱為“死星”的人造蛋白（來源：IPD）

2019 年 1 月，David Baker 所領導的華盛頓大學西雅圖蛋白質(zhì)設計研究所的研究團隊，曾在 Nature 雜志發(fā)表一項重磅成果，研究人員利用計算機程序創(chuàng)造了一種全新抗癌蛋白，能夠模仿 IL-2（白細胞介素 2）抗癌作用的同時，還能避免發(fā)生毒副反應。這項成就開辟了基于設計蛋白質(zhì)的治療癌癥、自身免疫性疾病和其他疾病的新方法。

IL-2 是一種關鍵的免疫調(diào)節(jié)蛋白，是治療自身免疫性疾病的有效方法，也是一種有效的抗癌藥物，能夠刺激 T 細胞的抗癌能力。然而一直以來，IL-2 嚴重的毒副作用限制了其巨大的臨床應用價值。

研究人員使用 Rosetta 算法平臺，從頭開始設計模仿 IL-2 設計的全新蛋白 Neo-2/15，在實驗室和動物模型中證明，能夠緊密結合 IL-2 受體β和γ，激活抗癌免疫細胞，并減緩腫瘤生長，而且由于設計的蛋白質(zhì)沒有α受體的結合位點，因此有效劑量的 Neo-2/15 不會引起毒副作用。

在徹底改變了對蛋白質(zhì)的研究之后，David Bake 團隊現(xiàn)在正在從頭開始對它們進行工程改造。David Bake 認為，科學家們很快就能夠為各種任務構建精確的分子工具。而他的團隊也在將人造蛋白質(zhì)用于各種用途，包括抗擊流感病毒、分解食物中麩質(zhì)，以及檢測極少量阿片類藥物。

圖 | David Bake（來源：University of Washington）

對于 David Bake 來說，蛋白質(zhì)從頭設計代表了他 25 年研究生涯的巔峰。Rosetta 的最新進展使他能夠從期望的功能反向追溯到合適的結構，再到合適的氨基酸序列。他可以使用任何氨基酸，甚至不僅僅是自然界天然存在的 20 種選擇。

作為大名鼎鼎的蛋白質(zhì)設計大師，David Baker 如今已經(jīng)成為每年諾貝爾獎的最熱門人選之一。