Nature構建蛋白質分子“搜索網”

日期：2013-09-10 09:12:25

來自華盛頓大學的科學家們，在實驗室中利用計算機設計并建造出了能夠識別和結合小分子的蛋白質分子“搜索網”。

用計算機設計出能夠識別生物學小分子并能與之相互作用的蛋白質現在成為了現實。科學家們成功地構建出了一種蛋白質分子，其編程后可以結合三種不同的類固醇。這一成果有可能更廣泛地應用于醫學和其他領域。

主要研究人員之一、華盛頓大學生物化學博士后Christine E. Tinberg說：“這是朝著構建出可用作生物傳感器或分子海綿的蛋白質邁出的重要一步。”

在9月4日《自然》（Nature）雜志上的論文中作者們詳細描述了所采用的方法。來自亞利桑那州立大學的Giovanna Ghirlanda針對這篇Nature論文發表了一篇評論“Computational biology: A recipe for ligand binding proteins”。他寫到：“開發出這種方法來設計出帶有理想識別位點的蛋白質可能具有革命性的意義。因為諸如細胞串擾、基因產物生成和酶的運作等細胞過程均依賴于分子的識別。

這一科學團隊克服了從前在構建精確蛋白質-小分子接口方面未能解決的問題。在早期的努力中，科學家們一直在致力解決計算機制圖與現實分子結構之間存在不一致這一問題。

在完成這項研究的過程中，研究人員了解了設計具有強吸引力的小分子結合蛋白的一般原理。他們的研究發現表明，構建出一些滿足許多醫學、工業和環境應用的結合蛋白是有可能是實現的。

例如，在醫療診斷中采用一種合理編程的蛋白質，或許可以檢測出一些只在諸如癌癥早期階段等某種特殊疾病狀態存在的生物分子。或許最終還能制造出一些其他類型的蛋白質分子用于治療藥物或毒品過量。

Tinberg解釋說，目前生成新型小分子結合蛋白的方法主要有免疫動物生成對抗一種靶蛋白的抗體，或是在實驗室中控制蛋白質的演化增強它們對想得到的小分子的親和力。“兩種方法都不能完全控制與結合相關的相互作用。”

在設計分子的過程中，該研究小組嘗試復制出了一個天然存在的蛋白質結合位點的特性。科學家們還通過調節結合位點的構象及定向對必要的蛋白質-分子相互作用進行了編程。

研究人員采用一種叫做Rosetta的計算機工具制造出了能夠結合類固醇洋地黃毒苷（digoxigenin）的新蛋白。在用計算機生成多個洋地黃毒苷結合劑后，研究人員選擇了17個在實驗室進行合成。實驗室測試使得研究人員將焦點放在他們命名為DIG10的蛋白質上。進一步的觀察發現，如研究人員所預期的，這一蛋白質的結合活性確實是由計算機設計的接口所介導。

為了改良他們的總體設計方法，研究人員還采用了新一代深基因測序方法標記出了每個氨基酸分子構件對于結合適應度的影響。利用這種方法，他們能夠發現不同的遺傳變異是如何影響設計蛋白結合能力的。這一結合適應度圖譜使得研究人員能夠將設計蛋白的結合親和力提升到皮摩爾水平。

X射線晶體學顯示，兩個蛋白質分子的實際結構與計算機設計相互匹配達到了原子水平。因此，設計模型和實驗室生成蛋白質之間的錯誤匹配不再是研究人員難以攻克的障礙。

研究人員表示，通過不斷改良方法以及實驗結果得到的反饋來看，計算機蛋白質設計為制造出合成生物學小分子受體，毒性化合物的治療清除劑，以及用于診斷的強有力結合域提供了一種日益強大的方法。