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摘要：在生物医学领域，纳米抗体（Nanobodies）作为一种新兴的工具，正逐渐展现出其独特的魅力。它们不仅在诊断、治疗和生物传感等方面有着广泛的应用前景，还在 COVID-19 等疾病的防治中发挥了重要作用。本文将深入探讨纳米抗体的结构特性、功能属性以及计算方法在纳米抗体设计和优化中的应用，力求以通俗易懂的方式呈现这一复杂而前沿的科学话题。![]()
一、纳米抗体：小而强大的工具
纳米抗体是骆驼科动物重链抗体的最小功能片段，由约 110 个氨基酸组成，分子量仅为 12-15 kDa，远小于传统抗体的 150 kDa。这种小尺寸使得纳米抗体具有更高的稳定性和溶解性，同时保留了与抗原高亲和力结合的能力。纳米抗体的结构框架由三个互补决定区（CDR）组成，其中 CDR-H3 是最具变异性的一部分，长度通常在 12-18 个残基之间，对特异性结合抗原起着关键作用。纳米抗体的独特之处在于其能够识别和结合传统抗体难以触及的隐藏表位，例如蛋白质表面的裂缝或酶的活性位点。这种能力使得纳米抗体在生物医学研究中具有独特的优势，例如在稳定蛋白质构象、控制 G 蛋白偶联受体的别构调节等方面展现出巨大的潜力。二、计算方法助力纳米抗体设计
随着计算技术的发展，计算模型和设计方法在纳米抗体的研究中扮演着越来越重要的角色。这些方法不仅加速了纳米抗体的发现和优化过程，还为理解纳米抗体与抗原之间的相互作用提供了新的视角。（一）结构预测
准确预测纳米抗体的结构，尤其是 CDR 环的构象，是纳米抗体设计的关键挑战之一。近年来，机器学习方法在这一领域取得了显著进展。例如，AlphaFold 2.2 版本在预测纳米抗体结构时表现出色，能够准确预测 CDR-H3 环的构象。此外，ImmuneBuilder 和 NanoNet 等工具也为纳米抗体结构预测提供了高效的解决方案。图 1 展示了 AlphaFold 2.2 预测的纳米抗体结构与实验结构的对比，可以看到预测结构与实验结构高度一致。![]()
（二）分子动力学模拟
分子动力学（MD）模拟是研究纳米抗体与抗原相互作用的重要工具。通过模拟，研究人员可以观察纳米抗体在结合抗原时的动态变化，以及 CDR 环的灵活性如何影响结合亲和力。例如，在研究针对 HIV p24 的高亲和力纳米抗体时，MD 模拟揭示了盐桥、氢键和静电互补区域在高亲和力结合中的重要作用。图 2 展示了 HIV p24 与纳米抗体结合时的 MD 模拟结果，可以看到纳米抗体的 CDR 环与抗原之间的相互作用。![]()
（三）增强采样模拟
为了更全面地探索纳米抗体的构象空间，增强采样模拟技术如高斯加速 MD（GaMD）被引入。GaMD 通过施加谐波增强势能，降低系统能量屏障，加速结构动力学过程。在研究纳米抗体与 G 蛋白偶联受体（GPCR）的结合时，GaMD 模拟展示了受体正位配体结合口袋的别构闭合过程，为理解 GPCR-纳米抗体结合机制提供了重要见解。图 3 展示了 GaMD 模拟中 GPCR 与纳米抗体结合的动态过程。![]()
三、纳米抗体数据库：资源与支持
纳米抗体数据库的建立为研究人员提供了丰富的资源和信息，促进了纳米抗体的开发和应用。例如，INDI 数据库包含了超过 1100 万个纳米抗体序列，其搜索工具可以帮助找到与查询序列最匹配的可变序列。SAbDab-nano 是一个专门的纳米抗体结构数据库，截至 2024 年 3 月，已包含 1454 个纳米抗体结构。此外，NanoLAS 数据库整合了来自多个数据库的纳米抗体数据，提供了一个用户友好、高效且交互式的平台，用于数据查询和分析。图 4 展示了 NanoLAS 数据库的界面，可以看到其丰富的功能和便捷的操作。![]()
四、纳米抗体设计的计算方法
（一）结构和片段基础设计
结构基础设计涉及对纳米抗体的理性工程和改造，以增强结合亲和力、提高稳定性、降低免疫原性等。例如，通过将特定序列移植到稳定的纳米抗体框架上，可以设计出针对阿尔茨海默病相关 tau 蛋白的纳米抗体。此外，片段基础设计方法通过识别和优化纳米抗体序列中的小片段，可以生成针对特定表位的高亲和力纳米抗体。图 5 展示了结构基础设计的流程，可以看到从序列选择到最终设计的全过程。![]()
（二）计算亲和力成熟
计算亲和力成熟是指利用计算技术迭代设计和优化纳米抗体序列或结构，以提高其与目标抗原的结合亲和力。例如，通过分子动力学模拟、分子对接评分和稳定性预测等方法，可以准确评估纳米抗体的实验产量，并识别由突变引起的结构变化。此外，深度学习模型如 NanoBERT 可以基于序列预测纳米抗体的生物可行突变，为纳米抗体的优化提供指导。图 6 展示了计算亲和力成熟的过程，可以看到通过多次迭代优化，纳米抗体的结合亲和力显著提高。![]()
五、Quenchbody：纳米抗体的创新应用
Quenchbody（Q-body）是一种基于纳米抗体的免疫传感器，用于非竞争性均相检测各种抗原，包括小分子。Q-body 的关键在于其荧光猝灭机制：当抗体片段与抗原结合时，荧光染料分子从猝灭的色氨酸残基中移开，导致荧光强度增加。这种检测方法简单、易操作且高度灵敏。Q-body 的工作机制，可以看到抗原结合前后荧光强度的变化。六、结论
纳米抗体作为一种小而强大的工具，在生物医学和治疗领域展现出了巨大的潜力。计算方法的发展为纳米抗体的设计和优化提供了强有力的支持，使得研究人员能够更快速、更精确地开发出具有特定功能的纳米抗体。随着计算技术的不断进步，纳米抗体在生物医学和生物技术领域的应用前景将更加广阔，有望为人类健康和疾病诊断带来更多的创新解决方案。识别微信二维码，添加抗体圈小编，符合条件者即可加入抗体圈微信群！
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