一种能够像天然蛋白质一样活动的人工蛋白质

蛋白质通过改变形状来催化生命活动，当它们与其他分子相互作用时。结果是肌肉抽搐、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难以在人工智能增强的蛋白质工程这一不断增长的领域中实现。

现在，加州大学旧金山分校的研究人员表明，制造能够像自然界蛋白质那样运动和改变形状的新型蛋白质是可能的。这种能力将帮助科学家以强大的新方式工程化蛋白质，用于治疗疾病、清理污染和提高农作物产量。

"这项研究是通往远超生物医学领域、进入农业和环境领域之路的第一步，"生物工程学教授、该研究的资深作者坦雅·科尔特梅博士表示，该研究于5月22日发表在《科学》杂志上。

这项研究得到了美国国立卫生研究院的支持。

自20世纪80年代以来，科学家一直在工程化刚性蛋白质——那些无法移动或改变形状的蛋白质。这些蛋白质最初被用于商业产品，如清洁溶液。最近，它们被用于生产重磅药物，如人造胰岛素、GLP-1减肥药物以及针对癌症和炎症的抗体治疗。

科尔特梅说，尽管重要，但这些不可移动的分子无法与那些能够以复杂方式旋转、扭曲和变形然后恢复原始形状的蛋白质潜力相匹敌；她也是陈-扎克伯格生物中心旧金山的调查员。

她表示，医疗用途中最需要模仿的重要蛋白质是那些调节新陈代谢、细胞分裂和其他基本生命功能的蛋白质。这些强大的蛋白质是近三分之一美国食品药品监督管理局批准药物的靶点。它们通过从一种形状转变为另一种形状再转变回来（就像开关一样）来促进细胞内或细胞间的通信。

一个压倒性的问题

设计这种稳定又动态的形式需要几年前还不存在的计算能力和人工智能。

挑战巨大，因此科尔特梅和研究生艾米·郭从一项小事开始：赋予一个简单的天然蛋白质以全新方式运动的能力。郭随后使蛋白质的一部分摆动，使其能够结合钙，这是蛋白质改变形状的常见方式。

"我们想设计一种可应用于多种情况的方法，因此我们专注于创建一个可移动部分，模仿许多天然蛋白质的功能，"她说。"希望这种运动也能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数千种可能形状的虚拟库。她为蛋白质选择了两种稳定形状：一种能够结合钙，另一种不能。

然后，她聚焦于虚拟蛋白质的特定区域，观察其中的原子如何相互作用。这项工作在疫情前就已开始，但人工智能程序AlphaFold2问世后加速了进展。郭用它使可移动部分扭曲以捕获钙，然后再解扭以释放它。

关键时刻是研究人员在计算机模拟中测试模型时。他们与加州大学旧金山分校的药物化学家马克·凯利博士合作，他使用核磁共振技术可视化蛋白质中的原子。

"模拟显示它完全按我们的预期工作，我对此感到惊讶，"郭说。"这让我确信这是真实的，我们确实做到了。"

在医疗领域，可移动工程化蛋白质可用于生物传感器，这些传感器响应疾病信号而改变形状，触发警报。或者它们可作为药物蛋白质，量身定制以适应个人的独特身体化学。

变形蛋白质也可设计用于分解塑料或帮助植物抵抗干旱或害虫等气候相关压力。它们甚至可用于制造当开裂时能够自我修复的金属。

"可能性确实是无限的，"郭说。