近日，Science 雜志刊發了華盛頓大學生物化學教授、霍華德休斯醫學研究所蛋白質從頭設計大神David Baker 所領導的一項最新成果，研究人員設計出一種對酸產生反應的蛋白質，可通過預測、調節的方式對環境做出反應，其可在中性 pH 下自行組裝成預設的結構，并在酸存在下快速分解。

實驗結果表明，這些動態蛋白可以按照預期方式運動，并利用它們的 pH 依賴性運動來破壞脂質膜（包括細胞內重要的內分體上的脂質膜），有望為向細胞內遞送藥物提供新的策略。

研究人員表示，這些可以以預定方式運動的合成蛋白質分子可以滲透到細胞核內體中，在藥物傳遞方面大有可為，而對其的設計能力更將推動分子藥物的新浪潮。

響應環境變化的全新蛋白質

天然蛋白質常常需要精確地改變形狀以發揮其功能。例如，在與氧分子結合時，血液中的蛋白質——血紅蛋白會進行彎曲。但是，對于研究人員來說，通過人工設計來實現類似的分子運動則是一項長期挑戰。

目前，運送到細胞中的大分子藥物常常被滯留在核內體（真核細胞中的膜結合細胞器，屬于一種囊泡結構）中動彈不得，無法達到預期的治療效果。能夠逃離核內體的重組病毒是最常用的藥物載體，但病毒也有其局限性和缺點。

研究人員認為，僅由設計蛋白組成的藥物傳遞系統可以在沒有固有缺陷的情況下與重組病毒傳遞的效率相媲美。在最新研究中，全新蛋白的破膜能力則有助于改善藥物作用。其原理是，細胞中核內體的酸性與其他部分不同，這種酸堿度差異可以作為信號，觸發預設的分子運動，從而使其能夠破壞核內體膜。

圖 | 研究人員從頭設計的可通過預測、調節的方式對環境做出反應的全新蛋白質（來源：Ian Haydon/Institute for Protein Design）

破壞細胞膜可能對身體有毒害作用，因此一旦這些蛋白質進入了核內體，必須要在合適的條件和時間對其進行激活，這一點非常重要。為此，研究人員通過加入一種叫做組氨酸的化學物質，實現了其所設計蛋白質的分子運動。在中性（非堿性或酸性）條件下，組氨酸不帶電荷；而存在少量酸的情況下，它可吸收正電荷，阻止其參與某些化學反應。這種化學性質使研究小組能夠制造出在酸性條件下分解的蛋白質組件。

“設計帶有運動部件的新蛋白質是我博士后工作的長期目標。”Baker 實驗室的博士后研究員、本次研究論文的主要作者 Scott Boyken 說，“因為我們是從頭開始設計這些蛋白質的，所以能夠控制組氨酸的確切數量和位置，這使得我們可以調整蛋白質，使其在不同的酸度下分解。”

來自華盛頓大學、俄亥俄州立大學、勞倫斯伯克利國家實驗室和霍華德休斯醫學院珍妮亞研究院的其他科學家也參與了這項研究。

從頭設計蛋白質之路

眾所周知，蛋白質是一切生命系統的物質基礎，密切參與著從觸發免疫反應到大腦思考的每一個生理過程。

而所謂蛋白質設計，就是依賴于蛋白質結構的測定和分子模型的建立，按照蛋白質結構與功能的關系，綜合運用各學科的技術手段，獲得比天然蛋白質性能更優越的新型蛋白質。

與蛋白質設計中的“小改”和“中改”不同，完全從頭設計全新的蛋白質，是對蛋白質分子的“大改”，還要使之具有特定的空間結構和預期功能，因此也被視為難以實現的世界性難題。

1998 年，David Baker 團隊開發了一種用于蛋白質結構預測的 Rosetta 算法平臺，利用這個平臺構建虛擬的氨基酸鏈，然后計算出它們最容易折疊的形式。

在 2017 年發表的一系列論文中，David Baker 博士及其同事公布了他們所做的研究成果。他們設計出數千種不同的蛋白質，它們呈現出科學家們預測的形狀，而且與自然界中發現的蛋白質有很大不同。

這種技術的發展帶來了深刻的科學進步——蛋白質可以由人而不是自然界設計。“我們現在可以從頭開始創造蛋白質，從而實現我們想要的。”David Baker 博士曾說道。

圖 | 被 David Baker 稱為“死星”的人造蛋白（來源：IPD）

2019 年 1 月，David Baker 所領導的華盛頓大學西雅圖蛋白質設計研究所的研究團隊，曾在 Nature 雜志發表一項重磅成果，研究人員利用計算機程序創造了一種全新抗癌蛋白，能夠模仿 IL-2（白細胞介素 2）抗癌作用的同時，還能避免發生毒副反應。這項成就開辟了基于設計蛋白質的治療癌癥、自身免疫性疾病和其他疾病的新方法。

IL-2 是一種關鍵的免疫調節蛋白，是治療自身免疫性疾病的有效方法，也是一種有效的抗癌藥物，能夠刺激 T 細胞的抗癌能力。然而一直以來，IL-2 嚴重的毒副作用限制了其巨大的臨床應用價值。

研究人員使用 Rosetta 算法平臺，從頭開始設計模仿 IL-2 設計的全新蛋白 Neo-2/15，在實驗室和動物模型中證明，能夠緊密結合 IL-2 受體β和γ，激活抗癌免疫細胞，并減緩腫瘤生長，而且由于設計的蛋白質沒有α受體的結合位點，因此有效劑量的 Neo-2/15 不會引起毒副作用。

在徹底改變了對蛋白質的研究之后，David Bake 團隊現在正在從頭開始對它們進行工程改造。David Bake 認為，科學家們很快就能夠為各種任務構建精確的分子工具。而他的團隊也在將人造蛋白質用于各種用途，包括抗擊流感病毒、分解食物中麩質，以及檢測極少量阿片類藥物。

圖 | David Bake（來源：University of Washington）

對于 David Bake 來說，蛋白質從頭設計代表了他 25 年研究生涯的巔峰。Rosetta 的最新進展使他能夠從期望的功能反向追溯到合適的結構，再到合適的氨基酸序列。他可以使用任何氨基酸，甚至不僅僅是自然界天然存在的 20 種選擇。

作為大名鼎鼎的蛋白質設計大師，David Baker 如今已經成為每年諾貝爾獎的最熱門人選之一。