Science：David Baker團隊從頭設計出具有兩種不同構象的鉸鏈蛋白

撰文丨nagashi

編輯丨王多魚

排版丨水成文

19世紀80年代，愛迪生髮明瞭電燈座和開關，由此開創了開關、插座生產的歷史。事實上，在日常生活中，開關無處不在，甚至演變出觸控、聲控和光控等激活方式，以響應特定刺激而作出反應。

開關的的觸發得益於其內部精巧的設計，這一過程涉及多個狀態的轉換。有趣的是，在自然界中，天然蛋白質通常具有多種構象狀態，從而實現活性轉換或形成蛋白複合物以響應酶、細胞受體、信使分子的刺激。從這一點來看，如果能設計出一種蛋白質開關，使其可以像電燈開關一樣在特定的情況下觸發激活，那就能在微觀的尺度下控制生命過程。

2023年8月17日，蛋白質設計領域先驅、華盛頓大學David Baker教授在Sicence期刊發表了題爲：Design of stimulus-responsive two-state hinge proteins 的研究論文。

該研究通過人工智能（AI）輔助設計，開發出一種鉸鏈樣蛋白質，這種鉸鏈蛋白同時具有兩種明確的構象，在與目標蛋白結合時顯示出穩定的構象變化，因此可以根據這種特異性定製出“蛋白質開關”。這項工作爲產生響應生物刺激的蛋白質開關提供了研究基礎，爲蛋白設計領域帶來全新變革！

在自然界中，許多天然蛋白質可以在兩種構象之間轉換以響應環境刺激，例如目標分子的結合、翻譯後修飾或pH的變化。這個過程在結構上類似於晶體管控制計算設備中的電子信息流，只不過蛋白質傳遞的是生化信息。

然而，天然蛋白質都是經過漫長的進化才衍化得來，人工設計的蛋白往往很難做到在兩種摺疊狀態之間進行這樣的構象轉換。因爲人工蛋白質設計通常旨在優化一個單一的、非常穩定的構象，使其擁有摺疊能量景觀的全局最小值。

因此，如何設計出同時具有兩種不同構象且結構完整的人工蛋白質是蛋白質設計領域的一個重大挑戰。其中，最關鍵的一個要求是，所設計的蛋白質需要同時具有兩個不同最小值的能量景觀，就像一座山峰之中同時有兩個山坳，一片沙漠之中同時有兩個綠洲。

在這項最新研究中，David Baker團隊描述了一種鉸鏈蛋白的設計概念，這種蛋白具有兩個明確定義和結構的構象狀態：在沒有配體的情況下表現爲X設計狀態，而在配體存在的情況下通過構象變化轉換爲Y設計狀態。

可以在不同構象之間轉換的蛋白質的設計策略

研究小組通過X射線晶體學、電子顯微鏡、雙電子-電子共振光譜等技術對設計的鉸鏈蛋白的蛋白質結構、結合動力學和構象平衡進行了全面表徵。研究結果表明，儘管存在顯著的結構差異，但這兩種構象狀態的設計具有原子水平的精度，並且構象平衡和結合平衡是緊密耦合的。

多態鉸鏈蛋白的實驗驗證：兩種設計狀態的晶體結構與設計模型高度一致

因此，這種鉸鏈蛋白可以廣泛適用於蛋白質開關的設計，就像是電子電路中的晶體管一樣，研究人員可以將蛋白質開關與外部輸出和輸入耦合，其狀態轉換通過與天然蛋白（例如胰高血糖素、神經肽、分泌素）結合而不是人工設計肽。

所設計的鉸鏈蛋白構象變化的定量分析

基於這種設計的鉸鏈蛋白可以用於創建生物傳感設備，並將它們合併到更大的蛋白質系統中，以解決各種突出的設計挑戰：鉸鏈蛋白可以作爲一種模塊，在其內部安裝特定的酶活位點，從而實現兩種明確構象的切換——當底物結合時有利於一種狀態，當產物釋放時有利於另一種狀態。

這對於之前的LOCKR開關而言是不可能的，因爲LOCKR開關只有一個明確的構象，另一個狀態往往是無序的。缺乏定義的第二狀態使得它不適合於構建蛋白質開關或基於離散狀態的計算系統中的機械耦合。

控制構象預平衡會影響肽的結合

總的來說，這項新研究開發出了同時具有兩種明確狀態的鉸鏈蛋白，可以應用於“蛋白質開關”的設計。這種雙態開關的研究能使蛋白質設計超越靜態結構，轉向更復雜的多態組裝和生物傳感器設計，爲蛋白設計提供了更廣闊的可能性。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7731