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迷你蛋白质粘合剂 David Baker是华盛顿大学医学院的生物化学教授，也是蛋白质设计研究院主任。他的课题组所开发的计算机平台“Rosetta”设计了数以千计的长度约为40个氨基酸的微型蛋白质，据Rosetta预测，它们能与分子靶标紧密结合。此前，人工合成的短小蛋白质粘合剂都是在天然蛋白质的基础上改造而成，结果无法超越单克隆抗体。 Baker课题组的则是“原创”的迷你蛋白质粘合剂，为了满足紧密地与靶标结合的需求，专门定制，设计修改都很方便。而且，由于体型小，这些短蛋白的结构往往非常稳定，因此无需冷藏储存，相比大多数大蛋白药物，也包括单克隆抗体，它们更容易生产和管理。因此，微型蛋白粘合剂有成为一类新药的潜力，它们可以填补小分子药物和生物制剂之间的空白。 为了验证平台应用效果，团队设计了两套“微蛋白药”：一套是阻止流感病毒入侵细胞，另一套是结合并中和致命肉毒杆菌毒素。然后合成编码这些蛋白质的段片段DNA，让酵母细胞生产这些蛋白，然后观察它们与目标的结合情况。利用这种方法，短短几个月内，团队完成了22660种蛋白质的设计和测试工作，其中2000多种对目标有很强的亲和力。而且，蛋白质性质实验表明，它们非常稳定，遇高温后不会失活，而且由于分子量很小，几乎不会引发免疫反应，避免了很多蛋白质药物因机体免疫导致失效的常见问题。 从DNA到蛋白质 构建蛋白质的机制对地球上的所有生命来说都是最根本的。解决这一问题的一个方法是在实验上确定蛋白质的结构，比如通过诸如X光结晶法以及核磁共振（NMR）检测等。然而，这些方法不仅缓慢，而且昂贵。即便在今天，国际蛋白质数据库仅储存着大约11万种蛋白质的结构，而科学家认为蛋白质的种类却有亿万种，乃至更多。 了解其他蛋白质的三维结构有助于生化学家洞察每个分子的功能。过去几年，受到基因组学和计算机学的革命性成果的启发，Baker联合计算机建模专家尝试利用计算机模型解决蛋白折叠的问题。他们想到了两种主要的折叠模型。其中，同源建模是将一个目标蛋白的氨基酸序列与一个模板（拥有类似序列且已知其三维模型的蛋白质）进行对比。但这种方法却存在一个主要问题：没有足够的已知结构的蛋白质可以用作模板。这促使他跟踪第二种方式，即从头建模，该方法是通过计算相邻氨基酸之间的拉力和推力，以此预测蛋白质的结构。 为此，他们创建了一个众包性的外延项目——Rosetta@home，该项目可以让人们将闲置的计算机用于需要进行的计算，从而研究所有潜在的蛋白折叠。随后，他们还添加了一个叫作Foldit的视频游戏外延，可以让偏远用户的独特蛋白折叠观点指导Rosetta的计算。该方法吸引了来自国际科学界的100多万名用户，此外还收到了包括从设计新蛋白到预测蛋白与DNA互动方式等在内的20多个软件包。现在约有500名活跃的科学家持续更新及改进Rosetta软件。该项目可供科研人员和非营利用户免费使用，但是会向企业收取3.5万美元的费用。 来自基因组序列的线索 Rosetta已被广泛认为是最先进的模式。但该软件在构建大蛋白质分子时却一度存在问题。几年前，Baker开始设想能解构大多数蛋白质结构的方法。20世纪90年代计算生物学家Chris Sander和Debora Marks提出的一项算法给他打开了一扇窗。Sanders等人很好奇基因序列是否有助于分辨那些展开时距离遥远、折叠成三维结构后彼此临近的氨基酸对。他推理认为，那些比邻的氨基酸对对蛋白质的功能非常关键，并提出那些对蛋白质结构非常必要的特定氨基酸对可能会共同演化。 Baker和同事意识到扫描基因组能够给Rosetta的从头建模提供帮助，他们抓住了这个机会写了一个叫作Gremlin的新软件，可以同时对比基因序列，并呈现所有可能同时进化的氨基酸对，并将它运用到Rosetta中，结果自然非常给力。5年前，从头建模仅仅确定了约8000个没有模板的蛋白质家族的56个蛋白。而从那以后，仅是Baker的团队就补充了900个蛋白质结构。这种方式已经适用于约5000个蛋白质家族。随着基因组数据大规模涌入，Baker预测，让蛋白折叠模型拥有足够共同演化的氨基酸对数据以解开几乎任何蛋白质结构，可能只需要两三年时间。 无所不能的蛋白质 对于Baker来说，这只是开始。随着Rosetta运算能力的稳步提升以及计算能力的日益强大，Baker的团队已经掌握了蛋白折叠的规律，他们已开始利用这些知识尝试“超越大自然的创作物”，那些自然界中不存在的蛋白质。而且，非天然蛋白质的潜在应用不只局限于医药领域。Baker及其同事还将一种叫作绿色荧光蛋白分子的120个副本聚合到一个笼子上，创建了当它们在组织内移动时能够通过光亮辅助研究的“纳米灯笼”。 预测氨基酸序列如何折叠的能力有助于了解蛋白质如何发挥作用，由此打开了设计出能够催化特定化学反应或是可用作医药、材料的新蛋白通道。这些蛋白基因能够在合成之后植入自然界生成蛋白质的微生物体内。比如，Baker团队在细菌体内设计了一种全新的新陈代谢通道，它是用一个人工设计的能让微生物将大气二氧化碳转化为燃料和化学物质的蛋白质实现的。 在一项或许可以称为迄今为止最发人深省的研究中，Baker团队设计了能够携带信息的蛋白，模仿DNA的4个核酸信使在DNA分子有名的双螺旋结构中结合、缠绕。现在，这些蛋白质螺旋结构尚不能传递细胞能读取的遗传信息。但它们具有深远的象征意义：蛋白设计者已经超越了自然的限制，他们可以利用功能性蛋白建立一个全新的世界。 了解更多最全、最新论文快讯 登录CBG官网（www.chembeango.com） 下载ChemBeanGo APP CBG资讯 ∣知识就是力量 |
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如果说读写DNA引发了分子生物学的一场革命，那么设计新蛋白的技术将会在几乎所有生命体身上带来巨大影响。久负盛名的蛋白质设计大师、华盛顿大学生物化学家David Baker教授近期发明了一种高速生产上万种结构稳定的微型蛋白质的方法，这些定制蛋白可以绑定特定的治疗靶点，预防/治疗传染病以及中和神经毒素。这些蛋白并不存在于自然界，却能与较大的生物制剂特异性结合，具有稳定的效力。
