一种像自然界中存在的物质一样移动的人工蛋白质

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、光线感知，或是从食物中提取的一丝能量。

但这种关键能力始终未能在人工智能增强的蛋白质工程这一新兴领域实现突破。

如今，加州大学旧金山分校的研究人员证明，制造出能像天然蛋白质那样运动和变形的新型蛋白质是可行的。这项能力将帮助科学家以强大的新方法设计治病蛋白质、清除污染物并提高作物产量。

"这项研究是通往生物医学之外、通向农业与环境领域道路上的第一步，"生物工程教授、本研究资深作者坦雅·科特姆博士表示。该成果于5月22日发表于《科学》期刊。

本研究获得美国国立卫生研究院支持。

自20世纪80年代以来，科学家们一直在设计刚性蛋白质——即无法移动或改变形状的蛋白质。这类蛋白质最初应用于洗涤剂等商业产品。近年来更被用于生产人工胰岛素、GLP-1减肥药物以及治疗癌症和炎症的抗体药物等重磅药物。

科特姆（同时担任陈-扎克伯格生物中心旧金山分部研究员）指出，尽管重要，但这些固定分子无法媲美能够复杂旋转、扭曲、变形并恢复原状的蛋白质的潜力。

她表示，医疗应用中最需要模拟的是调控新陈代谢、细胞分裂等基本生命功能的蛋白质。这类强力蛋白质是近三分之一FDA批准药物的靶点。它们通过像开关一样在不同构象间转换，促进细胞内部或细胞间的信息传递。

艰巨挑战

设计这种稳定而动态的结构，需要数年前尚不存在的计算能力和人工智能。

面对巨大挑战，科特姆与研究生郭艾米从微观入手：赋予简单天然蛋白质全新的运动能力。郭随后设计出能摆动结合钙离子的蛋白质组件——这是蛋白质变形的常见机制。

"我们旨在开发适用于多种场景的设计方法，因此专注于创建具有天然蛋白质功能的可动部件，"她解释道，"希望这种运动特性也能拓展到静态人工蛋白质，增强其功能多样性。"

郭的下一步是建立包含数千种可能构象的虚拟蛋白质库。她筛选出两种稳定构象：可结合钙离子型与不可结合型。

随后她对虚拟蛋白质特定区域进行原子级相互作用分析。这项始于疫情前的研究在AlphaFold2人工智能程序问世后加速推进。郭利用该程序使可动部件完成扭取钙离子与释放离子的解旋运动。

决定性时刻出现在计算机模拟测试阶段。研究团队与加州大学旧金山分校药物化学家马克·凯利博士合作，运用核磁共振技术可视化蛋白质原子结构。

"模拟结果与预期完全吻合令我惊叹，"郭表示，"这确证了研究的真实性——我们确实成功了。"

在医疗领域，可动工程蛋白可应用于响应疾病信号变形的生物传感器以触发警报，或定制为适配个体独特生化特性的治疗性蛋白质。

变形蛋白质还能设计用于降解塑料，或增强植物抗旱抗虫等气候胁迫能力，甚至可制造出裂纹自修复金属材料。

"可能性永无止境，"郭总结道。