生命形式的又一次改寫：蛋白質(zhì)的全新設(shè)計

■文/吳 迪

繼全基因合成之后，橫亙在生物學(xué)與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的艱難壁壘被科學(xué)家瓦解，實現(xiàn)了蛋白質(zhì)的全新設(shè)計。

人類遺傳密碼子的重新編寫是基因組學(xué)中的一個里程碑的工作，它標(biāo)志著遺傳工程領(lǐng)域正逐步從基礎(chǔ)科學(xué)向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。就在這一振奮消息過后，又一件喜訊傳來。2019年6月6日，來自美國華盛頓大學(xué)生物化學(xué)所、蛋白質(zhì)研究所、霍華德·休斯醫(yī)學(xué)院的戴維·貝克（David Baker）教授在《自然》（Nature）雜志發(fā)表從頭合成蛋白質(zhì)的研究。該研究顯示，即使是從未涉及此領(lǐng)域的科學(xué)工作者，也可通過蛋白質(zhì)折疊電子游戲（Foldit）實現(xiàn)蛋白質(zhì)的全新設(shè)計。

蛋白質(zhì)是由氨基酸首尾相連、脫水縮合而形成不同大小的肽鏈。每種蛋白質(zhì)中所含有的肽鏈長度不同，肽鏈中氨基酸的組成和排列順序也各不相同。每一種肽鏈在空間卷曲折疊成為特定的三維空間結(jié)構(gòu)，而不是隨機(jī)走向的松散多肽鏈。這種三維空間結(jié)構(gòu)通常被稱為蛋白質(zhì)的構(gòu)象，即蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能在很大程度上取決于三維空間結(jié)構(gòu)，它只有處于自己特定的三維空間結(jié)構(gòu)中，才能獲得它特定的生物活性。三維空間結(jié)構(gòu)稍有破壞，就很可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)的生物活性降低甚至喪失。因此，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究是蛋白質(zhì)功能預(yù)測及蛋白質(zhì)設(shè)計的基礎(chǔ)。預(yù)測氨基酸序列的組成和排列順序則有助于了解蛋白質(zhì)如何發(fā)揮作用，也由此誕生了蛋白質(zhì)分子設(shè)計這門新興學(xué)科。

Foldit是一個實驗性的蛋白質(zhì)折疊電子游戲，它可以根據(jù)參與者提供的一段無結(jié)構(gòu)的氨基酸序列，通過計算機(jī)預(yù)測它的天然結(jié)構(gòu)。但是，運(yùn)用Foldit從頭設(shè)計整個蛋白質(zhì)還是有巨大挑戰(zhàn)的，因為一種新的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要找到在特定結(jié)構(gòu)中最低自由能狀態(tài)下的氨基酸序列。

貝克團(tuán)隊瓦解了這道橫亙在生物學(xué)與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的艱難壁壘，重新研究Foldit并對其添加了新的設(shè)計規(guī)則。首先，F(xiàn)oldit玩家需在設(shè)計的結(jié)果中設(shè)定疏水殘基的最小百分比（比如30%）。其次，F(xiàn)oldit玩家需在二級結(jié)構(gòu)序列中剔除甘氨酸和丙氨酸，盡量減少α-螺旋的形成。最后，F(xiàn)oldit玩家需在設(shè)計的結(jié)構(gòu)中排除分子內(nèi)相互作用不足的大的氨基酸殘基。將這些規(guī)則添加到Foldit之后，F(xiàn)oldit玩家獲得的高分蛋白都是緊密且穩(wěn)定的球狀蛋白質(zhì)。此外，在自定義合成的基因編碼設(shè)計中，有12個蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)預(yù)測均在Foldit玩家的設(shè)計構(gòu)象之中，且與任何已知的蛋白質(zhì)沒有同源性。貝克團(tuán)隊在大腸桿菌中表達(dá)這些蛋白質(zhì)，并通過金屬親和層析和分子篩色譜法純化。經(jīng)圓二色光譜分析表明，12個蛋白質(zhì)中有6個是單體且折疊在溶液中。此外，貝克團(tuán)隊還成功地獲得了Foldit玩家設(shè)計的4個高分辨率晶體結(jié)構(gòu)。其中，3個X射線晶體結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)與設(shè)計的構(gòu)造緊密匹配。

總之，從頭開始設(shè)計蛋白質(zhì)幾乎是之前不可想象的問題。如今，貝克團(tuán)隊的這一研究顯示了Foldit玩家通過在線電腦游戲設(shè)計整個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)并能精確到預(yù)期的形狀。而且，他們的設(shè)計展現(xiàn)了多樣性的蛋白質(zhì)折疊方式。這也提示我們，F(xiàn)oldit玩家通過計算模型設(shè)計出的蛋白質(zhì)所涵蓋的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越我們所知。從某種意義來說，只要在科學(xué)的指導(dǎo)下，人類可以發(fā)揮自己的想象力，讓很多生物學(xué)中遙不可及的幻想在今天的高科技時代下成為可能。