《Science》从头制造复杂蛋白？还是跨膜蛋白！

　　华盛顿大学蛋白质设计研究所的分子工程师3月1日在《Science》发文告诉我们，人类可以从头开始创建和定制复杂的跨膜蛋白了，甚至制造自然界中没有的跨膜蛋白来完成特定任务。

图片来源于网络

　　在生命世界里，跨膜蛋白是嵌在所有细胞和细胞器膜中的一类蛋白，它们是细胞与外界的交互门禁，一些跨膜蛋白还参与细胞信号的接受或传递，因此，许多药物起作用的方式都是靶向这类蛋白。

　　“我们现在已经具备设计生产多种跨膜蛋白的技术，”华盛顿大学的生化教授、蛋白质设计研究所主任David Baker说。他实验室的高级研究员卢培龙（Peilong Lu）是这篇文章的第一作者。

　　掌握跨膜蛋白的组装，指导它们执行任务并非听上去这么容易。相比细胞质或细胞外液中的蛋白质来说，嵌在细胞膜中的蛋白质的研究往往更加困难。

　　在这项研究中，卢培龙和同事们采用了Baker实验室开发的一款名为“Rosetta”的计算机程序，它可以预测蛋白合成后可能折叠成什么结构。

　　蛋白质的结构至关重要。功能取决于结构，结构受蛋白质氨基酸链与氨基酸链周围环境之间的复杂相互作用影响，蛋白质的最终形状是所有因素的最佳平衡，在这种状态下蛋白的能态最低。

　　Rosetta通过考量所有因素，计算出最低的总能态来预测蛋白质结构。程序需要对一条氨基酸序列做出成千上万次计算，创建数以万计的模型结构，直至鉴定出能态最低的一种。通过测试，Rosetta能准确地描述序列的天然构型。

　　跨膜蛋白的结构模拟尤为困难，因为部分蛋白结构必须通过膜内脂质。在水相中，氨基酸残基侧链因为有极性，往往位于蛋白质的表面，与水相互作用。因此，蛋白质的极性残基是亲水性的（hydrophilic）。另一方面，非极性残基往往位于远离极性水溶液的蛋白核心，这样的残基是疏水性的（hydrophobic）。亲水和疏水残基与周围水溶液之间的相互作用有助于蛋白质折叠和最终结构的稳定。

　　然而，膜蛋白的情况非常复杂。因为膜内环境是非极性的，换句话说没有电荷分离。这意味着为了稳定，蛋白质必须把非极性的疏水残基暴露在表面包裹亲水性的极性残基。然后，必须在核心亲水性残基之间建立“键”来稳定结构。

　　解决膜蛋白结构设计的关键是Baker实验室开发的另一种方法，让极性、亲水性的残基之间形成足以维持蛋白质不散掉的极性-极性相互作用。

　　“组装埋在内部的氢键网络就好像一个拼图游戏，”Baker说。通过这种方法，他们使用多达215个氨基酸设计了许多细菌和哺乳动物细胞的跨膜蛋白。由此产生的蛋白质被证明具有高度热稳定性，而且能正确定位在细胞膜上。像天然蛋白一样，它们有多个跨膜区，意味着它们可以穿膜几次，并组装成更稳定的多-蛋白复合体，如二聚体、三聚体和四聚体。

　　如此准确地设计出复杂的、多次跨膜蛋白，然后在细胞中表达，从此以后，研究人员就能随心设计具有全新结构和功能的跨膜蛋白了。