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科研进展
离子无法自然地穿过脂质。然而，细胞的有效运作必须要它们能穿过细胞膜，这时成孔蛋白离子通道就会发挥作用。美国西雅图华盛顿大学蛋白质设计研究所主任、霍华德休斯医学研究员 David Baker 教授这样说到：“想象一下在脂质内部创造一个充满水的空间，离子可以像穿过正常溶液一样穿过这个空间。”作为大名鼎鼎的蛋白质设计大师，David Baker 教授近几年一直被认为是诺奖热门人选【注】。
—— 以上文字来自：https://pharm.jgvogel.cn/c1269562.shtml
这些特征可能有助于检测毒素等物质，因此研究人员们试图改变天然离子通道的形状和大小。然而，这种方法的灵活性有限。一个问题是，诸如 Deepmind 的 AlphaFold 和华盛顿大学西雅图分校蛋白质设计研究所自己的 RoseTTAFold 等深度学习算法的训练数据相对较少。比利时布鲁塞尔自由大学的 Anastassia Vorobieva 教授解释说：“我们体内大约 30% 的蛋白质位于膜中，但在实验室中研究膜蛋白非常困难，因为它们需要被溶解在脂质中。所以我们对这些蛋白质的实际折叠和功能了解得并不多。”
现在，由 Baker 教授和 Vorobieva 教授领衔的团队采用基于生物物理学的方法，利用被称为“β 链 (β strand)”的相互连接的多肽链对成孔蛋白进行了从头设计 [1]。 该团队的研究人员们在 2021 年报道了八条这种多肽链构成的“β 桶”，但它们太窄，无法在中心形成一条传导通道。研究人员们推测可以通过增加交织链数量的方法使通道变宽。
他们认为的最佳设计——也就是所有的亲水基团都朝内——几乎从未得到所需的结构，这是因为太容易聚集的蛋白质只会形成团块。因此，该团队加入了一些朝内的疏水基团来阻止结构形成。“这很有趣，因为我们使用这些工具的方式与其他人截然不同”，Vorobieva 教授表示，“我们确实需要用到那些原本是为了获得最优位置结构的工具来得到这些次优的位置。”
研究人员们制得了由 10、12 和 14 条链组成的 β-桶状蛋白，它们的孔径逐渐增大，形状也发生了变化。然后，他们测量了 β-桶状蛋白所结合的磷脂膜的电导率。华盛顿大学的 Sagardip Majumder 也参与了该项目，他说：“膜的两侧都有电极，你可以将蛋白质放入其中。当膜上有孔时，离子可以通过，从而产生电流。”
Source: © Science/AAAS
人工设计得到的 β-桶状蛋白可以具有多种孔径和形状
Source: © Science/AAAS
作者们设计了伪环蛋白，以与具有生物学意义的特定小分子结合
Source: bakerlab.org/2024/07/17/designing-synthetic-smell-receptors 从头设计的纳米孔道蛋白实现小分子传感。左图：在开启状态下，离子自由流过跨膜纳米孔（青色）。右图：在关闭状态下，包裹目标小分子的传感器蛋白（粉色）闭合，物理阻断了离子流动并改变了膜电位，这时可以通过测量脂质膜上电导率的变化来检测目标分子的存在。
Source: © Science/AAAS 小分子与该传感器上的假环蛋白成分结合，阻止了离子通过纳米孔的运动。
研究人员们希望该方法能够得到广泛的应用，例如目前需要常规临床监测的药物以及毒素的家庭检测。华盛顿大学的 Linna An 博士领导了传感器设计工作，她说：“你肯定不希望甲氨蝶呤的浓度超过某个值，否则你就会 [死亡]，所以我们为其创造了一种结合蛋白，希望能成为一种传感器。”
哈佛大学医学院的 Nicholas Polizzi 博士未参与这项研究；他称赞人造纳米孔蛋白的设计是“重大变革”。他说：“理解如何让这些蛋白质折叠成膜需要大量的蛋白质生物物理学知识……这似乎是一个非常酷的难题，而 Vorobieva 教授的团队已经解决了——或者至少在很大程度上解决了——这个问题。”
Polizzi 博士指出，即使是使用这些研究人员们开发的 LigandMPNN 算法，设计配体结合假环蛋白的命中率也相当低。尽管如此，他说“尝试将它们粘在 Vorobieva 教授报道的纳米孔上，使它们成为小分子的传感器，这是一项非常酷的创新”，并将这项工作描述为一种“对原理的证明”。
S Berhanu et al, Science, 2024, DOI: 10.1126/science.adn3796
L An et al, Science, 2024, DOI: 10.1126/science.adn3780
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