近日，Science 雜志刊發(fā)了華盛頓大學(xué)生物化學(xué)教授、霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)大神David Baker 所領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)最新成果，研究人員設(shè)計(jì)出一種對(duì)酸產(chǎn)生反應(yīng)的蛋白質(zhì)，可通過(guò)預(yù)測(cè)、調(diào)節(jié)的方式對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)，其可在中性 pH 下自行組裝成預(yù)設(shè)的結(jié)構(gòu)，并在酸存在下快速分解。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些動(dòng)態(tài)蛋白可以按照預(yù)期方式運(yùn)動(dòng)，并利用它們的 pH 依賴(lài)性運(yùn)動(dòng)來(lái)破壞脂質(zhì)膜（包括細(xì)胞內(nèi)重要的內(nèi)分體上的脂質(zhì)膜），有望為向細(xì)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(yù)定方式運(yùn)動(dòng)的合成蛋白質(zhì)分子可以滲透到細(xì)胞核內(nèi)體中，在藥物傳遞方面大有可為，而對(duì)其的設(shè)計(jì)能力更將推動(dòng)分子藥物的新浪潮。

響應(yīng)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(jié)合時(shí)，血液中的蛋白質(zhì)——血紅蛋白會(huì)進(jìn)行彎曲。但是，對(duì)于研究人員來(lái)說(shuō)，通過(guò)人工設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的分子運(yùn)動(dòng)則是一項(xiàng)長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。

目前，運(yùn)送到細(xì)胞中的大分子藥物常常被滯留在核內(nèi)體（真核細(xì)胞中的膜結(jié)合細(xì)胞器，屬于一種囊泡結(jié)構(gòu)）中動(dòng)彈不得，無(wú)法達(dá)到預(yù)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(diǎn)。

研究人員認(rèn)為，僅由設(shè)計(jì)蛋白組成的藥物傳遞系統(tǒng)可以在沒(méi)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(xì)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(hào)，觸發(fā)預(yù)設(shè)的分子運(yùn)動(dòng)，從而使其能夠破壞核內(nèi)體膜。

圖 | 研究人員從頭設(shè)計(jì)的可通過(guò)預(yù)測(cè)、調(diào)節(jié)的方式對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)的全新蛋白質(zhì)（來(lái)源：Ian Haydon/Institute for Protein Design）

破壞細(xì)胞膜可能對(duì)身體有毒害作用，因此一旦這些蛋白質(zhì)進(jìn)入了核內(nèi)體，必須要在合適的條件和時(shí)間對(duì)其進(jìn)行激活，這一點(diǎn)非常重要。為此，研究人員通過(guò)加入一種叫做組氨酸的化學(xué)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了其所設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)。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(xué)反應(yīng)。這種化學(xué)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(shè)計(jì)帶有運(yùn)動(dòng)部件的新蛋白質(zhì)是我博士后工作的長(zhǎng)期目標(biāo)。”Baker 實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員、本次研究論文的主要作者 Scott Boyken 說(shuō)，“因?yàn)槲覀兪菑念^開(kāi)始設(shè)計(jì)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。”

來(lái)自華盛頓大學(xué)、俄亥俄州立大學(xué)、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和霍華德休斯醫(yī)學(xué)院珍妮亞研究院的其他科學(xué)家也參與了這項(xiàng)研究。

從頭設(shè)計(jì)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(chǔ)，密切參與著從觸發(fā)免疫反應(yīng)到大腦思考的每一個(gè)生理過(guò)程。

而所謂蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)，就是依賴(lài)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的測(cè)定和分子模型的建立，按照蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，綜合運(yùn)用各學(xué)科的技術(shù)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(shè)計(jì)中的“小改”和“中改”不同，完全從頭設(shè)計(jì)全新的蛋白質(zhì)，是對(duì)蛋白質(zhì)分子的“大改”，還要使之具有特定的空間結(jié)構(gòu)和預(yù)期功能，因此也被視為難以實(shí)現(xiàn)的世界性難題。

1998 年，David Baker 團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的 Rosetta 算法平臺(tái)，利用這個(gè)平臺(tái)構(gòu)建虛擬的氨基酸鏈，然后計(jì)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?cè)O(shè)計(jì)出數(shù)千種不同的蛋白質(zhì)，它們呈現(xiàn)出科學(xué)家們預(yù)測(cè)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(shù)的發(fā)展帶來(lái)了深刻的科學(xué)進(jìn)步——蛋白質(zhì)可以由人而不是自然界設(shè)計(jì)?！拔覀儸F(xiàn)在可以從頭開(kāi)始創(chuàng)造蛋白質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)我們想要的?！盌avid Baker 博士曾說(shuō)道。

圖 | 被 David Baker 稱(chēng)為“死星”的人造蛋白（來(lái)源：IPD）

2019 年 1 月，David Baker 所領(lǐng)導(dǎo)的華盛頓大學(xué)西雅圖蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)研究所的研究團(tuán)隊(duì)，曾在 Nature 雜志發(fā)表一項(xiàng)重磅成果，研究人員利用計(jì)算機(jī)程序創(chuàng)造了一種全新抗癌蛋白，能夠模仿 IL-2（白細(xì)胞介素 2）抗癌作用的同時(shí)，還能避免發(fā)生毒副反應(yīng)。這項(xiàng)成就開(kāi)辟了基于設(shè)計(jì)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(guān)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(xì)胞的抗癌能力。然而一直以來(lái)，IL-2 嚴(yán)重的毒副作用限制了其巨大的臨床應(yīng)用價(jià)值。

研究人員使用 Rosetta 算法平臺(tái)，從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)模仿 IL-2 設(shè)計(jì)的全新蛋白 Neo-2/15，在實(shí)驗(yàn)室和動(dòng)物模型中證明，能夠緊密結(jié)合 IL-2 受體β和γ，激活抗癌免疫細(xì)胞，并減緩腫瘤生長(zhǎng)，而且由于設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)沒(méi)有α受體的結(jié)合位點(diǎn)，因此有效劑量的 Neo-2/15 不會(huì)引起毒副作用。

在徹底改變了對(duì)蛋白質(zhì)的研究之后，David Bake 團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在從頭開(kāi)始對(duì)它們進(jìn)行工程改造。David Bake 認(rèn)為，科學(xué)家們很快就能夠?yàn)楦鞣N任務(wù)構(gòu)建精確的分子工具。而他的團(tuán)隊(duì)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(cè)極少量阿片類(lèi)藥物。

圖 | David Bake（來(lái)源：University of Washington）

對(duì)于 David Bake 來(lái)說(shuō)，蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)代表了他 25 年研究生涯的巔峰。Rosetta 的最新進(jìn)展使他能夠從期望的功能反向追溯到合適的結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)大師，David Baker 如今已經(jīng)成為每年諾貝爾獎(jiǎng)的最熱門(mén)人選之一。