一种具有天然物质运动特性的人工蛋白质

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。其结果是肌肉抽搐、光感知或从食物中提取些许能量。

但这种关键能力却一直未能被快速发展的AI增强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蛋白质一样运动和改变形状的新型蛋白质。这项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、清除污染和提高作物产量。

"这项研究是通向生物医学以外广阔领域——农业与环境——的第一步，"生物工程学教授、该研究资深作者Tanja Kortemme博士表示。该研究于5月22日发表在《科学》期刊。

本研究得到了美国国立卫生研究院的支持。

自1980年代以来，科学家一直在设计刚性蛋白质——即无法移动或改变形状的蛋白质。这些蛋白质最初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减肥药以及针对癌症和炎症的抗体疗法。

Kortemme指出，尽管这些固定分子很重要，但它们无法匹敌那些能以复杂方式旋转、扭曲和变形后恢复原状的蛋白质的潜力。她同时担任旧金山陈-扎克伯格生物中心研究员。

她表示，医学应用中最需要模拟的是那些调控新陈代谢、细胞分裂及其他基本生命功能的蛋白质。这些功能强大的蛋白质是近三分之一FDA批准药物的靶点。它们通过从一种形状转变为另一种形状（如同开关般切换）再恢复原状，促进细胞内部或细胞之间的通讯。

艰巨的挑战

设计这种稳定又具动态性的结构需要直到几年前才存在的计算能力和人工智能。

由于挑战巨大，Kortemme和研究生Amy Guo从简单入手：赋予一种天然蛋白质以新方式运动的能力。Guo随后使蛋白质的一部分摆动，从而能够结合钙离子——这是蛋白质改变形状的常见方式。

"我们希望开发出可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，"期望这种运动性也能添加到静态人工蛋白质中，以拓展其功能。"

Guo的下一步是生成包含数千种可能构象的虚拟蛋白质库。她选取了蛋白质的两种稳定构象：一种能结合钙离子，另一种则不能。

随后，她聚焦于虚拟蛋白质的特定区域，观察其中原子的相互作用。这项始于疫情之前的研究，在人工智能程序AlphaFold2问世后加速推进。Guo利用该程序使可动部件扭曲以捕获钙离子，再通过解旋将其释放。

关键时刻出现在研究人员通过计算机模拟测试模型时。他们与加州大学旧金山分校的药物化学家Mark Kelly博士合作，后者运用核磁共振技术可视化蛋白质中的原子。

"模拟结果完全符合预期令我惊叹，"Guo表示，"这让我确信研究真实可靠，我们确实做到了。"

在医疗领域，可动工程蛋白可用于生物传感器——其响应疾病信号改变形状并触发警报；或可定制为适应个体独特身体化学特性的药用蛋白质。

变形蛋白质还可设计用于降解塑料，或帮助植物抵抗干旱、害虫等气候相关胁迫。它们甚至可用于制造能在开裂时自我修复的金属材料。

"可能性是无穷无尽的，"Guo总结道。