科學(xué)家為你設(shè)計(jì)手工蛋白質(zhì)

編譯 凌寒

我們的身體會(huì)產(chǎn)生大約20 000種不同的蛋白質(zhì)，從皮膚中的膠原蛋白到血液中的血紅蛋白。有些蛋白質(zhì)呈分子層的形狀。其他的則被雕琢成纖維狀、箱狀、隧道狀，甚至剪刀狀。蛋白質(zhì)的特殊形狀使得它能夠完成特定的工作，無論是將氧氣運(yùn)送至全身還是幫助消化食物。

科學(xué)家研究蛋白質(zhì)有近兩個(gè)世紀(jì)的歷史，在此期間，他們已經(jīng)研究出細(xì)胞是如何利用簡(jiǎn)單的構(gòu)造模塊創(chuàng)造出蛋白質(zhì)的。他們一直夢(mèng)想著能夠利用這些元素組裝出自然界本不存在的新型蛋白質(zhì)。

但他們卻被一個(gè)巨大的謎團(tuán)難住了：蛋白質(zhì)中的構(gòu)造模塊最終是怎樣構(gòu)建定型的呢？華盛頓大學(xué)蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)研究所主任——55歲的大衛(wèi)·貝克（David Baker）——25年來一直致力于該謎題的研究。

現(xiàn)在看來，他和他的同事們似乎已經(jīng)破解了這個(gè)謎題。在一定程度上，這要感謝超過100萬名志愿者的眾包計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)，科學(xué)家已經(jīng)弄清了如何選擇制造蛋白質(zhì)構(gòu)造模塊的原理，利用該原理就可以按照他們想要的形狀來制造蛋白質(zhì)。

在2017年發(fā)表的一系列論文中，貝克博士和他的同事們公布了這項(xiàng)研究的成果。他們制造了上千種不同的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)構(gòu)型均來源于科學(xué)家的預(yù)測(cè)。這些蛋白質(zhì)通常與自然界中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)有著很大的不同。

這種專業(yè)技術(shù)已經(jīng)帶來了一種深刻的科學(xué)進(jìn)步：細(xì)胞蛋白可以由人類——而不是大自然——來設(shè)計(jì)。貝克博士說:“我們現(xiàn)在可以依照基本原理從零開始構(gòu)建我們想要的蛋白質(zhì)類型了?！?/p>

他預(yù)測(cè)，科學(xué)家很快就能夠?yàn)楦鞣N不同的目的設(shè)計(jì)精確的分子工具。他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)構(gòu)建了多種蛋白質(zhì)，其應(yīng)用目標(biāo)涵蓋多個(gè)方面，從對(duì)抗流感病毒到分解食物中的谷蛋白，再到檢測(cè)微量的阿片類藥物。

加州大學(xué)舊金山分校分子生物學(xué)家威廉·迪哥拉多（William DeGrado）表示，貝克博士及其同事最近的研究是這一科學(xué)研究領(lǐng)域的里程碑。他說:“在20世紀(jì)80年代，我們?cè)鴫?mèng)想能夠出現(xiàn)如此引人矚目的成果。”

自然界中的每一種蛋白質(zhì)都是由基因編碼的。利用這段DNA作為指導(dǎo)，細(xì)胞利用被稱為氨基酸的構(gòu)造模塊組裝出相應(yīng)的蛋白質(zhì)。

細(xì)胞從20多種氨基酸中進(jìn)行選擇并構(gòu)建起一條氨基酸鏈。這條氨基酸鏈可能會(huì)延伸數(shù)十、數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)單位。一旦細(xì)胞完成了氨基酸鏈的構(gòu)建，這條鏈就會(huì)自行折疊，而這個(gè)過程通常會(huì)在百分之幾秒內(nèi)完成。

蛋白質(zhì)之所以會(huì)自行折疊，是因?yàn)槠涿恳粋€(gè)氨基酸都帶有電荷。蛋白質(zhì)鏈的某些部分相互吸引，而其他部分則相互排斥。在這些力的作用下，氨基酸之間很容易產(chǎn)生一些化學(xué)鍵；剛性化學(xué)鍵十分牢固。

所有這些原子力的結(jié)合使得每個(gè)蛋白質(zhì)都變成了一個(gè)驚人的分子謎題。當(dāng)貝克博士在加州大學(xué)伯克利分校讀研究生時(shí)，沒有人知道如何觀察氨基酸鏈，沒有人能夠預(yù)測(cè)它會(huì)折疊成什么形狀。蛋白質(zhì)科學(xué)家把這個(gè)謎題簡(jiǎn)稱為“折疊問題”。

這個(gè)折疊問題讓科學(xué)家操縱這些重要的生物元素的手段仿佛停留在了石器時(shí)代。他們只能使用恰好能在自然界中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)，就像早期人類尋找鋒利的巖石來從骨頭上剔肉一樣。

我們使用蛋白質(zhì)已有幾千年歷史。例如，早期的奶酪制造商通過向牛奶中添加一塊小牛胃來使牛奶凝固。在胃里產(chǎn)生的蛋白質(zhì)凝乳酶可將液態(tài)奶變成半固態(tài)的形式。

時(shí)至今日，科學(xué)家仍在尋找利用蛋白質(zhì)的方法。例如，一些研究人員正在研究鮑魚殼中的蛋白質(zhì)，希望能制造出更加堅(jiān)不可摧的防彈衣。還有一些人正在研究利用蜘蛛絲制作降落傘繩索。研究人員也在嘗試對(duì)自然蛋白質(zhì)進(jìn)行適度的改變，以觀察一些微調(diào)是否可以讓這些蛋白質(zhì)產(chǎn)生新的利用價(jià)值。

然而，對(duì)于貝克博士和許多其他的蛋白質(zhì)科學(xué)家來說，這種“修修補(bǔ)補(bǔ)”的工作令人非常不滿意。在自然界中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)只代表了“蛋白質(zhì)宇宙”——可能由不同的氨基酸組合構(gòu)成的所有的蛋白質(zhì)——的九牛一毛。

“當(dāng)人們想要一種新的蛋白質(zhì)時(shí)，他們會(huì)在自然界中尋找已經(jīng)存在的東西，”貝克博士說，“沒有涉及設(shè)計(jì)的部分。

貝克博士長著一張小精靈般的臉，舉止活潑開朗，頭發(fā)凌亂不堪，參加學(xué)術(shù)報(bào)告時(shí)喜歡穿件T恤。他的外表下卻藏著無窮無盡的動(dòng)力。

從伯克利大學(xué)畢業(yè)并入職華盛頓大學(xué)后，貝克博士即投身解決蛋白質(zhì)折疊問題這一事業(yè)。他和他的同事們利用了自然蛋白質(zhì)彼此相似的事實(shí)。

華盛頓大學(xué)蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)研究所主任大衛(wèi)·貝克

新的蛋白質(zhì)并非憑空產(chǎn)生——它們都是由祖先蛋白質(zhì)進(jìn)化而來的。每當(dāng)科學(xué)家弄清了某種特定蛋白質(zhì)的構(gòu)型時(shí)，他們就能夠?qū)ο嚓P(guān)蛋白質(zhì)的構(gòu)型做出有根據(jù)的推測(cè)。

科學(xué)家還依賴于這樣一個(gè)事實(shí):許多蛋白質(zhì)是由相似的部分組成的。一種常見的特征是螺旋形的氨基酸鏈，稱為阿爾法螺旋。研究人員學(xué)會(huì)了如何識(shí)別這些可折疊為螺旋狀的氨基酸序列。

20世紀(jì)90年代末，華盛頓大學(xué)的研究小組轉(zhuǎn)而用軟件對(duì)復(fù)雜蛋白質(zhì)進(jìn)行個(gè)體化研究。該實(shí)驗(yàn)室決定為所有這些代碼創(chuàng)建一種通用語言，以便研究人員能夠獲取關(guān)于蛋白質(zhì)的集體性知識(shí)。

1998年，他們推出了名為Rosetta的平臺(tái)，科學(xué)家可以利用這個(gè)平臺(tái)來構(gòu)建虛擬氨基酸鏈，然后計(jì)算出該虛擬氨基酸鏈最可能的折疊方式。

一個(gè)名為Rosetta Commons的蛋白質(zhì)科學(xué)家團(tuán)體在此平臺(tái)基礎(chǔ)上成長了起來。在過去的20年里，他們每天都在改進(jìn)軟件，并利用它來更好地了解蛋白質(zhì)構(gòu)型，以及這些構(gòu)型如何使它們能夠發(fā)揮作用。

2005年，貝克博士發(fā)起了一個(gè)名為Rosetta@home的項(xiàng)目，該項(xiàng)目招募志愿者使用家用電腦——最終發(fā)展到使用安卓智能手機(jī)——貢獻(xiàn)計(jì)算機(jī)處理時(shí)間。過去12年里，已經(jīng)有1 266 542人加入了Rosetta@home社團(tuán)。

日積月累，Rosetta變得更加強(qiáng)大、更為精密復(fù)雜，科學(xué)家能夠利用眾包的計(jì)算機(jī)處理能力來更詳細(xì)地模擬折疊蛋白。他們的預(yù)測(cè)變得更加精準(zhǔn)，令人震驚。

研究人員的研究范圍已經(jīng)超越了現(xiàn)有蛋白質(zhì)，進(jìn)而開始對(duì)非天然序列的蛋白質(zhì)進(jìn)行研究。為了觀察這些非天然蛋白質(zhì)在現(xiàn)實(shí)生活中的樣子，科學(xué)家為它們合成了基因，并將基因插入酵母細(xì)胞中，而這些酵母細(xì)胞則生產(chǎn)出由實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造的蛋白質(zhì)。

“在自然產(chǎn)生的蛋白質(zhì)中，仍有一些我們不了解的細(xì)微之處，”貝克博士說，“但我們基本上已經(jīng)解決了折疊問題?！?/p>

這些進(jìn)步讓貝克博士的團(tuán)隊(duì)有信心去面對(duì)更大的挑戰(zhàn)：他們開始為特定的工作從零開始設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)。研究人員首先要明確他們想要利用該蛋白質(zhì)完成的任務(wù)，然后找出能夠按照正確方式折疊從而完成相應(yīng)工作的氨基酸鏈。

在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，他們與斯克里普斯研究所的病毒學(xué)家伊恩·威爾遜（Ian Wilson）團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)出一種可對(duì)抗流感的蛋白質(zhì)。

威爾遜博士一直在尋找能夠清除感染的方法，他的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)確定了一個(gè)特殊的潛在靶點(diǎn)：病毒表面的一個(gè)小囊。如果科學(xué)家能制造出一種能與小囊完美契合的蛋白質(zhì)，它就能防止病毒侵入細(xì)胞。

貝克博士的團(tuán)隊(duì)使用Rosetta設(shè)計(jì)出了這樣一種蛋白質(zhì)，將他們的搜索范圍縮小到數(shù)千種可能完成這項(xiàng)工作的氨基酸鏈。他們模擬了每種氨基酸鏈的折疊，尋找可能與病毒小囊契合的氨基酸鏈組合。

然后，研究人員利用生物工程酵母將入選的氨基酸鏈轉(zhuǎn)化為真正的蛋白質(zhì)。他們將這些蛋白質(zhì)釋放給流感病毒。一些蛋白質(zhì)比起其他蛋白質(zhì)更容易捕獲病毒，研究人員將他們的分子杰作改進(jìn)優(yōu)化，直到最后他們得到了一個(gè)名為HB1.6928.2.3的蛋白質(zhì)。

為了檢測(cè)HB1.6928.2.3阻止流感病毒感染的效果，他們?cè)谛∈笊砩线M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他們把這種蛋白質(zhì)噴進(jìn)小鼠的鼻子里，然后向小鼠注射大劑量的流感病毒，而這種大劑量通常是致命的。

然而，這種蛋白質(zhì)提供了100%的保護(hù)使小鼠免于死亡。HB1.6928.2.3是否能證明其在人體試驗(yàn)中的價(jià)值，還有待觀察。

“如果一場(chǎng)新的疾病大流行即將發(fā)生，要是有一線藥物那該多好?！蓖栠d博士說道。

HB1.6928.2.3只是貝克博士和他的同事設(shè)計(jì)和測(cè)試的眾多蛋白質(zhì)中的一種。他們還制造了一種能夠阻止肉毒毒素的蛋白質(zhì)分子以及一種可以檢測(cè)出微量的阿片類藥物芬太尼的蛋白質(zhì)分子。此外，他們還制造了另一種蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)可以幫助那些谷蛋白不耐受人群分解食物中的谷蛋白分子。

最近，貝克博士的團(tuán)隊(duì)演示了一個(gè)最具雄心的項(xiàng)目：一種能攜帶基因的蛋白質(zhì)外殼。

研究人員設(shè)計(jì)了一種像樂高積木一樣可以自我裝配的蛋白質(zhì)，組裝成一個(gè)空心球體。在這個(gè)過程中，它們也可以包裹入基因，并能在小鼠的血液中安全地運(yùn)輸這些貨物數(shù)個(gè)小時(shí)。

這些外殼與病毒有著驚人的相似之處，盡管它們?nèi)狈τ靡匀肭旨?xì)胞的分子。“我們有時(shí)稱它們?yōu)榉遣《??！必惪瞬┦空f。

許多研究人員正在試驗(yàn)用病毒作為載體在機(jī)體內(nèi)運(yùn)載基因。這些基因可以逆轉(zhuǎn)遺傳性疾病。在其他實(shí)驗(yàn)中，它們則展示出對(duì)免疫細(xì)胞進(jìn)行重組以對(duì)抗癌癥的美好前景。

然而，作為數(shù)十億年進(jìn)化的產(chǎn)物，病毒通常不會(huì)像基因運(yùn)輸騾子那樣“聽話溫馴”?！叭绻覀兺耆珡念^開始構(gòu)建一個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)，它應(yīng)該能更好地工作?！必惪瞬┦空f。

賽諾菲公司首席科學(xué)家加里·納貝爾（Gary Nabel）認(rèn)為，這項(xiàng)新研究可能會(huì)帶來我們無法想象的分子發(fā)明?！斑@是一個(gè)全新的領(lǐng)域，因?yàn)槟悴⒉皇菍?duì)現(xiàn)有的蛋白質(zhì)進(jìn)行建模?！彼f道。

目前，貝克博士和他的同事們只能制造短鏈蛋白質(zhì)。這在一定程度上是由于制造編碼蛋白質(zhì)的DNA片段成本太高。

但這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步飛快，目前該團(tuán)隊(duì)正在測(cè)試更長、更大的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)可能會(huì)用于更復(fù)雜的工作——其中就包括抗擊癌癥。

在癌癥免疫療法中，免疫系統(tǒng)通過癌細(xì)胞表面特異性蛋白質(zhì)將其識(shí)別。免疫系統(tǒng)依賴于只能識(shí)別單一蛋白質(zhì)的抗體。

貝克博士想要設(shè)計(jì)出這樣一種蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)只有在癌細(xì)胞表面同時(shí)鎖定幾種蛋白質(zhì)后才能立即觸發(fā)反應(yīng)。他猜想這些分子能夠更好地識(shí)別癌細(xì)胞，而與健康細(xì)胞秋毫無犯。

他說，本質(zhì)上，“我們是在設(shè)計(jì)能進(jìn)行簡(jiǎn)單邏輯運(yùn)算的分子?！笔聦?shí)上，他希望最終能制造出分子機(jī)器。

我們的細(xì)胞通過這樣一種引擎生產(chǎn)“燃料”，這是一種叫作ATP合酶的巨型蛋白質(zhì)，其作用方式就像一種分子水車。當(dāng)帶正電荷的質(zhì)子穿過一圈氨基酸時(shí)，它每秒會(huì)旋轉(zhuǎn)100次。ATP合酶即利用這種能量來制造一種叫作ATP的燃料分子。

貝克博士說，隨著科學(xué)家更多地了解大分子蛋白質(zhì)是如何構(gòu)建成型的，我們應(yīng)該有可能建立其他類似的復(fù)雜分子機(jī)器。

“自然界中有很多東西都是不循章法隨機(jī)出現(xiàn)的?！彼f，“隨著我們理解了越來越多的基本原理，我們應(yīng)該能夠做得更好?！?/p>