《Science》從頭制造復雜蛋白？還是跨膜蛋白！

　　華盛頓大學蛋白質設計研究所的分子工程師3月1日在《Science》發文告訴我們，人類可以從頭開始創建和定制復雜的跨膜蛋白了，甚至制造自然界中沒有的跨膜蛋白來完成特定任務。

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　　在生命世界里，跨膜蛋白是嵌在所有細胞和細胞器膜中的一類蛋白，它們是細胞與外界的交互門禁，一些跨膜蛋白還參與細胞信號的接受或傳遞，因此，許多藥物起作用的方式都是靶向這類蛋白。

　　“我們現在已經具備設計生產多種跨膜蛋白的技術，”華盛頓大學的生化教授、蛋白質設計研究所主任David Baker說。他實驗室的高級研究員盧培龍（Peilong Lu）是這篇文章的第一作者。

　　掌握跨膜蛋白的組裝，指導它們執行任務并非聽上去這么容易。相比細胞質或細胞外液中的蛋白質來說，嵌在細胞膜中的蛋白質的研究往往更加困難。

　　在這項研究中，盧培龍和同事們采用了Baker實驗室開發的一款名為“Rosetta”的計算機程序，它可以預測蛋白合成后可能折疊成什么結構。

　　蛋白質的結構至關重要。功能取決于結構，結構受蛋白質氨基酸鏈與氨基酸鏈周圍環境之間的復雜相互作用影響，蛋白質的最終形狀是所有因素的最佳平衡，在這種狀態下蛋白的能態最低。

　　Rosetta通過考量所有因素，計算出最低的總能態來預測蛋白質結構。程序需要對一條氨基酸序列做出成千上萬次計算，創建數以萬計的模型結構，直至鑒定出能態最低的一種。通過測試，Rosetta能準確地描述序列的天然構型。

　　跨膜蛋白的結構模擬尤為困難，因為部分蛋白結構必須通過膜內脂質。在水相中，氨基酸殘基側鏈因為有極性，往往位于蛋白質的表面，與水相互作用。因此，蛋白質的極性殘基是親水性的（hydrophilic）。另一方面，非極性殘基往往位于遠離極性水溶液的蛋白核心，這樣的殘基是疏水性的（hydrophobic）。親水和疏水殘基與周圍水溶液之間的相互作用有助于蛋白質折疊和最終結構的穩定。

　　然而，膜蛋白的情況非常復雜。因為膜內環境是非極性的，換句話說沒有電荷分離。這意味著為了穩定，蛋白質必須把非極性的疏水殘基暴露在表面包裹親水性的極性殘基。然后，必須在核心親水性殘基之間建立“鍵”來穩定結構。

　　解決膜蛋白結構設計的關鍵是Baker實驗室開發的另一種方法，讓極性、親水性的殘基之間形成足以維持蛋白質不散掉的極性-極性相互作用。

　　“組裝埋在內部的氫鍵網絡就好像一個拼圖游戲，”Baker說。通過這種方法，他們使用多達215個氨基酸設計了許多細菌和哺乳動物細胞的跨膜蛋白。由此產生的蛋白質被證明具有高度熱穩定性，而且能正確定位在細胞膜上。像天然蛋白一樣，它們有多個跨膜區，意味著它們可以穿膜幾次，并組裝成更穩定的多-蛋白復合體，如二聚體、三聚體和四聚體。

　　如此準確地設計出復雜的、多次跨膜蛋白，然后在細胞中表達，從此以后，研究人員就能隨心設計具有全新結構和功能的跨膜蛋白了。