Nature頭條：教你如何DIY蛋白

日期：2012-11-09 07:36:32

蛋白質是一個巨大的分子成果：氨基酸鏈自發地折疊成一種精確的構象，一次又一次，通過進化優化它們的特異功能。然而鑒于所有氨基酸鏈有可能有指數數量的彎曲，描述一段將折疊為一種可預測結構的序列是一個艱巨的任務。

現在研究人員報告稱他們可以做到了。通過遵循發表在《自然》（Nature）雜志上的一篇論文中描述的一套規則，來自華盛頓大學的David Baker實驗室小組從頭設計了五種蛋白，這些蛋白可以確實地折疊成預期的構象。在一項盲測試中，研究小組證實這些合成蛋白與預期機構密切匹配。

計算機結構生物學家Baker說：“從前只有一個從頭設計蛋白的例子：十年前，我們設計了Top7。Top7可以說是唯一的一個案例。”在新工作中，該研究小組提出了一種全面的方法。

麻省理工大學分子生物物理學家Jeremy England（未參與該研究）說：“你現在擁有了一套靈活的構件進行納米級組裝。”

彎曲的規則

這一工作是由一個夫妻團隊、Baker 小組的蛋白質工程師Nobuyasu Kog和Rie Tatsumi-Koga領頭完成。在觀察了數以千計的蛋白質的骨架結構后，他們制定了一些規則，并想對其進行檢測。

蛋白質鏈通常形成螺旋，其他的經典二級結構相應地折疊成最終的蛋白質形狀。研究小組意識到在一個方向或另一個方向上扭曲生成這些結構，取決于連接它們的環的長度。通過在這些構件間選擇正確的序列長度，研究小組可以預測它們會以何種方式折疊。

使用這些及其他的標準，研究小組制定出一些候選序列，設計折疊成五種結構。他們采用小組的Rosetta@home程序核對了這些序列，即利用志愿者的家用電腦來運行蛋白質折疊模擬。Rosetta志愿者測試折疊每條序列達數十萬次。大約10%的序列具有穩定且與研究組預期相匹配的結構。這些成功的序列不匹配任何已知的天然蛋白質。

研究小組合成出這些蛋白，將它們送到羅格斯大學的Gaetano Montelione處，由Montelione通過核磁共振（NMR）成像來確定蛋白質的結構。然后他們將兩個版本進行了比較。“不同尋常的是，預期的結構與高質量的NMR結構非常地一致，”Montelione說。

Baker的蛋白質在某種意義上是“柏拉圖式的理想，”他說。簡單的骨架結構，每個氨基酸均優化折疊成規定的、穩定的結構。以這種方式，它們不同于天然的蛋白質。天然蛋白質的折疊結構代表了最適宜折疊與生物學功能競爭需求的一種妥協，導致了部分有可能是功能必需的但卻無法穩定折疊的序列挫敗。作為穩定的證據，Koga說設計的蛋白在大約100 °C榮華，而相比之下天然蛋白在40–50 °C就已經熔化。

Koga和Tatsumi-Koga承認夫妻間的競爭是他們工作的動力。到目前為止，Tatsumi-Kota處于領先。論文中的五種蛋白有三種是她設計的。

Baker說：“人們或許感到不解從頭設計一種新蛋白如何可能會比從天然蛋白開始要好，鑒于自然已經搶先一步進化出有效的功能和穩定的構象。事實上，進化已經如此精確地錘煉了大量蛋白質的結構，很難將骨架改變為其他的構象來提供一種新功能。不用一個已存在的支架，現在你能夠設計一個骨架定制你想要實現的功能。這將會是下一步——將功能整合到設計中。”