网站 Banner

        设计变形蛋白的能力为医学、农业等领域开辟了新的途径。

         蛋白在与其他分子相互作用时通过改变形状来催化生命。 结果是肌肉抽搐、对光的感知或从食物中提取的一点能量。

         但这项关键能力一直没有出现在不断增长的 AI 增强蛋白质工程领域。

         现在，加州大学旧金山分校的研究人员已经证明，可以制造出可以移动和改变形状的新蛋白质，例如那些在自然界中。 这种能力将帮助科学家以强大的新方式设计蛋白质，以治疗疾病、清理污染和提高作物产量。

         “这项研究是一条远远超越生物医学、进入农业和环境的道路上的第一步，”生物工程教授、该研究的资深作者 Tanja Kortemme 博士说，该研究于 5 月 22 日发表在《科学》杂志上。

         该研究得到了美国国立卫生研究院的支持。

         科学家们一直在自 1980 年代以来，工程刚性蛋白质——不能移动或改变形状的蛋白质。 这些蛋白质最初用于清洁溶液等商业产品。 最近，他们被用于生产重磅药物，如人工胰岛素、GLP-1 减肥药物以及癌症和炎症的抗体治疗。

         虽然很重要，但这些不可移动的分子无法与蛋白质的潜力相媲美，这些蛋白质可以以复杂的方式旋转、扭曲和变形，然后返回恢复到它们的原始形状，Kortemme 说，他也是旧金山 Chan-Zuckerberg BioHub 的一名调查员。

         她说，用于医疗用途的最重要的蛋白质是那些调节新陈代谢、细胞分裂和其他基本生命功能等过程的蛋白质。 这些强大的蛋白质是近三分之一的 FDA 批准药物的靶标。 它们通过从一种形状变为另一种形状，然后再变回来，就像开关一样，促进细胞内部或细胞之间的通信。

         一个压倒性的问题

         设计如此稳定但动态的形式需要计算能力和人工智能，而这在几年前还不存在。

         挑战是巨大的，因此 Kortemme 和研究生 Amy Guo 从一件小事开始：让一种简单的天然蛋白质能够以新的方式移动。 然后，Guo 使蛋白质的一部分摆动，使其可以与钙结合，这是蛋白质改变形状的常见方式。

         “我们想设计一种设计方法，即可以应用于很多情况，因此我们专注于创造一个可移动的部件，它可以做许多天然蛋白质的工作，“她说。 “希望这种运动也可以添加到静态人工蛋白质中，以扩大它们的作用。”

         Guo 的下一步是生成一个包含蛋白质可以采用的数千种可能形状的虚拟库。 她为蛋白质选择了两种稳定的形状：一种可以结合钙，另一种不能。 然后，她放大了虚拟蛋白质的特定区域，以查看其中的原子如何相互作用。 这项工作在大流行之前就开始了，一旦人工智能程序 AlphaFold2 推出，这项工作就加速了。 郭某用它使可动部分扭曲并捕获钙，然后解开以使其自由。

        ：当研究人员在计算机模拟中测试他们的模型时，关键时刻到来了。 他们与加州大学旧金山分校 （UCSF） 的药物化学家 Mark Kelly 博士合作，他使用核能磁共振，用于可视化蛋白质中的原子。

        “我很惊讶，模拟显示它完全按照我们的预期工作，”Guo 说。 “这真的给了我信心，这是真的，我们真的做到了。”

         在医学领域，可移动的工程蛋白质可用于生物传感器，这些传感器会根据疾病信号改变形状，从而触发警报。 或者它们可以用作药用蛋白质，为一个人独特的身体量身定制化学。

         变形蛋白也可以被设计成分解塑料或帮助植物抵抗与气候相关的压力，如干旱或害虫。 它们甚至可以用来制造在开裂时可以自我修复的金属。

         “可能性真的是无穷无尽的，”郭说。