一种表现出天然蛋白质运动特性的人工合成蛋白质

蛋白质通过与其他分子相互作用时改变形状来催化生命活动。其结果可能是肌肉抽搐、光感知，或是从食物中提取出些许能量。

但这种关键能力却一直未被日益发展的人工智能辅助蛋白质工程领域所掌握。

如今，加州大学旧金山分校的研究人员证明，可以制造出像自然界中那样运动和改变形状的新型蛋白质。这种能力将帮助科学家以强大的新方法设计蛋白质，用于治疗疾病、清除污染以及提高作物产量。

"这项研究是通往生物医学之外广阔领域道路上的第一步，将延伸至农业和环境领域，"生物工程学教授、该研究的资深作者坦雅·科尔特姆博士表示。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，科学家们一直在设计刚性蛋白质——即无法运动或改变形状的蛋白质。这些蛋白质最初被用于清洁溶液等商业产品中。最近，它们被用于生产重磅药物，如人工胰岛素、GLP-1减肥药物以及用于治疗癌症和炎症的抗体疗法。

科尔特姆表示，尽管重要，但这些不可移动的分子无法与能够以复杂方式旋转、扭曲和变形，然后恢复原状的蛋白质潜力相媲美。她同时也是旧金山陈-扎克伯格生物中心的研究员。

她指出，在医疗用途中最需要模拟的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FDA批准药物的作用靶点。它们通过从一种形状转变为另一种形状，然后再转变回来（如同开关一样），促进细胞内部或细胞之间的通讯。

一个艰巨的挑战

设计这种既稳定又具有动态性的形式需要几年前尚不存在的计算能力和人工智能。

挑战巨大，因此科尔特姆和研究生艾米·郭从一个小目标着手：赋予一种简单的天然蛋白质以新方式运动的能力。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一种常见方式。

"我们希望设计一种可应用于多种情况的方法，因此专注于创建一个能实现许多天然蛋白质功能的可动部件，"她说。"希望这种运动也能被添加到静态的人工蛋白质中，以扩展它们的功能。"

郭的下一步是生成一个包含数千种该蛋白质可能形态的虚拟库。她为蛋白质选择了两种稳定构型：一种能够结合钙，另一种则不能。

接着，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。这项工作始于疫情之前，在人工智能程序AlphaFold2问世后得以加速。郭利用它使可动部件扭曲以捕获钙，然后解开扭曲将其释放。

关键时刻在于研究人员在计算机模拟中测试他们的模型。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，后者使用核磁共振技术可视化蛋白质中的原子。

"令我惊讶的是，模拟结果完全符合我们的预期，"郭说。"这让我确信这是真实的，我们确实做到了。"

在医学领域，可移动的工程化蛋白质可用于生物传感器，这些传感器在响应疾病信号时改变形状，触发警报。或者它们可作为药用蛋白质，根据个体的独特身体化学特性进行定制。

变形蛋白质也可以被设计用于分解塑料，或帮助植物抵抗干旱或害虫等气候相关胁迫。它们甚至可用于制造能够在开裂时自我修复的金属。

"可能性真的是无穷无尽，"郭说。