一种像自然界中发现的东西一样运动的人造蛋白质

蛋白质通过与其他分子相互作用时改变形状来催化生命。结果是肌肉抽搐、对光的感知或从食物中提取的一点能量。但这一关键能力一直困扰着不断发展的人工智能增强蛋白质工程领域。

现在，加州大学旧金山分校的研究人员已经证明，可以制造出像自然界一样移动和改变形状的新蛋白质。这种能力将帮助科学家以强大的新方式设计蛋白质，以治疗疾病、清理污染和提高作物产量。

“这项研究是通往远远超出生物医学，进入农业和环境的道路上的第一步，”生物工程教授、该研究的资深作者Tanja Kortemme博士说，该研究发表在《科学》杂志上。

自20世纪80年代以来，科学家们一直在设计刚性蛋白质——不能移动或改变形状的蛋白质。这些蛋白质首先用于清洁溶液等商业产品。

最近，它们被用于生产重磅药物，如人工胰岛素、GLP-1减肥药以及癌症和炎症的抗体治疗。

虽然很重要，但这些不可移动的分子无法与蛋白质的潜力相匹配，这些蛋白质可以以复杂的方式旋转、扭曲和变形，然后恢复到原来的形状，Kortemme说，他也是旧金山Chan-Zuckerberg生物中心的研究员。

她说，用于医学用途的最重要的蛋白质是那些调节代谢、细胞分裂和其他基本生命功能等过程的蛋白质。这些强大的蛋白质是近三分之一的FDA批准药物的靶标。它们像开关一样，通过从一种形状变为另一种形状，然后再变回来，促进细胞内或细胞间的交流。

设计这种稳定而动态的形式需要计算能力和人工智能，而这在几年前还不存在。

挑战是巨大的，所以Kortemme和研究生Amy Guo从一件小事开始：赋予一种简单的天然蛋白质以新的方式运动的能力。郭随后使部分蛋白质摆动，使其能够与钙结合，这是蛋白质改变形状的一种常见方式。

“我们想设计一种可以在很多情况下应用的设计方法，所以我们专注于创造一个可移动的部分，就像许多天然蛋白质一样，”她说。“希望这一运动也可以添加到静态人工蛋白质中，以扩展它们的功能。”郭的下一步是生成一个包含蛋白质可能采取的数千种形状的虚拟库。她为蛋白质选择了两种稳定的形状：一种可以结合钙，另一种不能。然后，她放大了虚拟蛋白质的特定区域，看看其中的原子是如何相互作用的。这项工作始于疫情之前，一旦人工智能程序AlphaFold2可用，这项工作就会加速。郭用它使活动部分扭曲并捕获钙，然后解开使其自由。

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当研究人员在计算机模拟中测试他们的模型时，关键时刻到来了。他们与加州大学旧金山分校的药物化学家Mark Kelly博士合作，他使用核磁共振来可视化蛋白质中的原子。

郭说：“我很惊讶模拟结果显示它完全像我们预期的那样工作。”。“这真的让我相信这是真的，我们真的做到了。”

在医学领域，可移动的工程蛋白可用于生物传感器，根据疾病信号改变形状，触发警报。或者，它们可以被用作药用蛋白质，专门针对一个人独特的身体化学成分。

变形蛋白也可以被设计用来分解塑料或帮助植物抵抗干旱或害虫等与气候相关的压力。它们甚至可以用来制造在破裂时可以自我修复的金属。

“可能性真的是无穷无尽的，”郭说。p