諾獎(jiǎng)得主最新Science：利用AI從頭設(shè)計(jì)蛋白，實(shí)現(xiàn)無(wú)需去垢劑的膜蛋白提取

題圖 | Pixabay

撰文 | 生物世界

膜蛋白嵌入在細(xì)胞膜中，位于細(xì)胞內(nèi)外的交界處，作為第一響應(yīng)者，感知信號(hào)，調(diào)控分子進(jìn)出細(xì)胞，并使細(xì)胞能夠快速適應(yīng)環(huán)境的變化。然而，膜蛋白位于細(xì)胞的脂質(zhì)膜中，其表面具有疏水性，會(huì)排斥水分子，這迫使科學(xué)家必須使用去垢劑來(lái)提取膜蛋白——這一過(guò)程通常繁瑣且需多步操作，需要大量?jī)?yōu)化，導(dǎo)致膜蛋白難以提取、純化和結(jié)構(gòu)解析，從而阻礙了針對(duì)膜蛋白的治療藥物和疫苗的研發(fā)。

2026 年 7 月 2 日，蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)先驅(qū)、2024 年諾獎(jiǎng)得主David Baker教授在Science期刊發(fā)表了題為：Membrane protein solubilization and structure determination using de novo–designed proteins 的研究論文。

該研究開(kāi)發(fā)了基于 AI 的從頭設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)方法——WRAP（Water-soluble RFdiffused Amphipathic Protein），這就像給膜蛋白定制一個(gè)“蛋白外套”，包裹在膜蛋白的疏水表面，使其無(wú)需去垢劑即可具備熱穩(wěn)定性和水溶性。

研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)單體和寡聚 β-桶狀外膜蛋白以及螺旋多次跨膜蛋白分別設(shè)計(jì)了 WRAP，并進(jìn)一步證明了這些 WRAP 包裹的膜蛋白能夠正確折疊，并適用于結(jié)構(gòu)測(cè)定、生化實(shí)驗(yàn)以及體外應(yīng)用。例如，通過(guò)該方法獲得了分枝桿菌孔蛋白 MspA 八聚體的 2.95 ? 分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（這也是首個(gè)使用非去垢劑方法得到的膜蛋白高分辨率結(jié)構(gòu)）；以及通過(guò)該方法成功制備了梅毒螺旋體抗原的可溶版本，為梅毒疫苗研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

David Baker教授表示，膜蛋白極其重要，但眾所周知其難以處理。WRAP為我們提供了一種在水中保持其完整性的方法，這為膜蛋白研究及其治療應(yīng)用開(kāi)辟了許多新的可能性。

圖源：參考文獻(xiàn)

膜蛋白在信號(hào)傳導(dǎo)、感染和藥物反應(yīng)中發(fā)揮著核心作用，但由于其疏水表面在膜外不穩(wěn)定，這類蛋白仍是難以生產(chǎn)和研究的蛋白質(zhì)之一。由于這些蛋白嵌入脂質(zhì)膜中，其提取依賴于去垢劑，這一過(guò)程繁瑣且需多步操作，需要大量?jī)?yōu)化，常常會(huì)損害蛋白穩(wěn)定性，并使后續(xù)分析更加復(fù)雜。以往用于繞過(guò)脂雙層來(lái)溶解膜蛋白的策略包括突變暴露于脂質(zhì)的氨基酸殘基，或?qū)⒛さ鞍捉Y(jié)構(gòu)域嫁接到可溶性支架上。將膜蛋白與兩親性蛋白載脂蛋白 AI（Apo-AI）以及可溶性誘餌蛋白融合，成功實(shí)現(xiàn)了溶解，但目前尚未通過(guò)該方法獲得結(jié)構(gòu)信息。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)WRAP（Water-soluble RFdiffused Amphipathic Protein，Wrap正好是包裹的意思）方法，提出了解決上述長(zhǎng)期難題的通用方案。WRAP 可包裹膜蛋白并屏蔽其疏水區(qū)域，使其在無(wú)需去垢劑的情況下仍能保持可溶性和穩(wěn)定性，并可在水中結(jié)合配體。

我們可以把 WRAP 理解為專門給膜蛋白定制“蛋白外套”，其內(nèi)側(cè)是疏水的，剛好匹配膜蛋白跨膜區(qū)的疏水表面，兩者能通過(guò)疏水相互作用緊密貼合；其外側(cè)則是親水的，暴露在水溶液環(huán)境中，能夠在水里穩(wěn)定存在。其整個(gè)設(shè)計(jì)流程就像一場(chǎng)精密的分子拼圖——先用 RFdiffusion 從頭生成理想化的螺旋或 β 桶狀骨架，尺寸剛好匹配目標(biāo)膜蛋白的跨膜區(qū)大小；把目標(biāo)膜蛋白放到骨架中心，再微調(diào)骨架形狀，讓它和目標(biāo)蛋白的表面完美互補(bǔ)；用專門優(yōu)化過(guò)的 SolubleMPNN 設(shè)計(jì)骨架的氨基酸序列，確保它自己能正確折疊，還能和目標(biāo)蛋白穩(wěn)定結(jié)合；最后用 AlphaFold2 預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)，篩選出折疊置信度高、相互作用界面質(zhì)量好的設(shè)計(jì)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

WRAP 的從頭設(shè)計(jì)流程（圖源：參考文獻(xiàn)）

最關(guān)鍵的是，WRAP 是通過(guò)基因融合的方式直接連在膜蛋白上的，并直接在大腸桿菌細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)，從而簡(jiǎn)化了膜蛋白的純化過(guò)程，解決了基于去垢劑方法的高成本和復(fù)雜性。此外，該方法不需要對(duì)膜蛋白本身的天然氨基酸序列做任何修改——這保留了膜蛋白原本的結(jié)構(gòu)和功能，避免了傳統(tǒng)改造方法可能帶來(lái)的活性喪失。

使用 WRAP 方法，研究團(tuán)隊(duì)制備了多種膜蛋白的可溶版本，包括單體及寡聚體的 β-桶狀外膜蛋白以及螺旋多次跨膜蛋白，驗(yàn)證了 WRAP 的通用性——

1、細(xì)菌外膜 β 桶蛋白，研究團(tuán)隊(duì)首先測(cè)試了大腸桿菌的經(jīng)典外膜蛋白 OmpA，過(guò)去它需要去垢劑提純，還要復(fù)性才能用。而 WRAP 包裹的 OmpA，直接在大腸桿菌細(xì)胞質(zhì)的可溶組分里就能純化出來(lái)。冷凍電鏡結(jié)構(gòu)顯示，WRAP 并沒(méi)有改變 OmpA 的天然結(jié)構(gòu)，它還能正常結(jié)合天然配體幾丁二糖，抗體識(shí)別表位也完全保留。

2、梅毒病原體抗原，梅毒螺旋體（Treponema pallidum）的外膜蛋白是重要的疫苗候選靶點(diǎn)，但它們幾乎沒(méi)法在大腸桿菌里表達(dá)，也沒(méi)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)解析的結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)直接用 AlphaFold2 預(yù)測(cè)的結(jié)果設(shè)計(jì) WRAP，成功獲得了 4 種梅毒抗原的可溶版本。用感染梅毒的兔子血清做實(shí)驗(yàn)，這些 WRAP 包裹的抗原能特異性識(shí)別免疫反應(yīng)產(chǎn)生的抗體——這意味著未來(lái)可以用它們來(lái)篩選單克隆抗體、開(kāi)發(fā)亞單位疫苗，不用再受限于難表達(dá)的天然蛋白。

3、螺旋多次跨膜蛋白，接下來(lái)是更難搞的螺旋型多次跨膜蛋白，這類蛋白占了藥物靶點(diǎn)的絕大多數(shù)。GlpG 蛋白酶，是一種嵌在內(nèi)膜里的“菱形蛋白酶”，過(guò)去用去垢劑提純后，77℃ 就會(huì)變性，而 WRAP 包裹的 GlpG 能耐受 95℃ 高溫，還能正常催化底物切割，活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)完全保留。CXCR4 受體，是一種人類 G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCR），癌癥藥物的重要靶點(diǎn)，全長(zhǎng) CXCR4 很難通過(guò) WRAP 直接可溶，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)截短版“迷你 CXCR4”，只保留配體結(jié)合口袋相關(guān)的跨膜區(qū)，用 WRAP 包裹后，它不僅熱穩(wěn)定性大幅提升，還能高親和力結(jié)合天然配體 CXCL12 和小分子拮抗劑，完美適配藥物篩選的需求。

4、寡聚膜蛋白，為了證明 WRAP 能支持結(jié)構(gòu)解析，研究團(tuán)隊(duì)選擇了分枝桿菌孔蛋白 MspA 的八聚體跨膜區(qū)作為目標(biāo)。這個(gè)蛋白是納米孔測(cè)序的核心元件，過(guò)去的結(jié)構(gòu)解析全靠去垢劑。這次研究團(tuán)隊(duì)使用 WRAP 包裹后，得到了 2.95 ? 分辨率的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，和設(shè)計(jì)模型的偏差只有 0.5-0.7 ?，幾乎和天然結(jié)構(gòu)完全一致。這也是首個(gè)用非去垢劑方法得到的膜蛋白高分辨率結(jié)構(gòu)，直接證明了 WRAP 不會(huì)干擾膜蛋白的天然構(gòu)象。

總的來(lái)說(shuō)，與以往的方法不同，WRAP 能夠在不損害結(jié)構(gòu)和功能特征的前提下，獲得膜蛋白。WRAP 具有廣泛的應(yīng)用前景，包括促進(jìn)生化表征、結(jié)構(gòu)測(cè)定、藥物發(fā)現(xiàn)，以及開(kāi)發(fā)保留抗原表位的可溶性蛋白用于疫苗設(shè)計(jì)。研究團(tuán)隊(duì)表示，預(yù)計(jì)基于 AI 的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步將降低計(jì)算成本，提高可溶性預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，并減少需要測(cè)試的設(shè)計(jì)數(shù)量。

從 2020 年 AlphaFold2 破解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)難題，到 2023 年 RFdiffusion 實(shí)現(xiàn) AI 從頭設(shè)計(jì)蛋白，再到今天 WRAP 解決膜蛋白的溶解難題，AI 正在一步步打破傳統(tǒng)分子生物學(xué)的邊界。這項(xiàng)研究不僅給膜蛋白研究提供了一件趁手“工具”，更讓我們看到了一個(gè)可能性——未來(lái)，我們可以像搭積木一樣，用 AI 設(shè)計(jì)各種功能蛋白，解決生物醫(yī)藥領(lǐng)域的諸多難題。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr3817

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