2021年6 月 24 日——研究人員使用反復(fù)試驗(yàn)的迭代過程設(shè)計(jì)了“理想的”功能蛋白質(zhì)，該過程結(jié)合了基于蛋白質(zhì)折疊原理的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)工作于 6 月 24日發(fā)表在Nature Communications上，為具有相關(guān)生化功能的大蛋白質(zhì)的從頭設(shè)計(jì)鋪平了道路。
理想蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)由一組原則指導(dǎo)，這些原則的特點(diǎn)是一致的局部和非局部相互作用和結(jié)構(gòu)，而沒有內(nèi)部能量受挫。這些原則包括一組將局部主鏈結(jié)構(gòu)與成對(duì) β 鏈上 α 螺旋的超二級(jí)結(jié)構(gòu)堆積相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)則，通過不利于非天然狀態(tài)產(chǎn)生漏斗形景觀。這些規(guī)則使理想蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的從頭設(shè)計(jì)成為可能。
蛋白質(zhì)的遠(yuǎn)處部分聚集在一起的優(yōu)點(diǎn)是允許比局部鏈段中可能的幾何范圍更廣泛的幾何形狀，從而允許形成功能位點(diǎn)。許多酶由中央 β 折疊的核心組成，其中有 5 條或更多條鏈，兩側(cè)被 α 螺旋包圍。
撰寫該論文的和美國(guó)研究人員團(tuán)隊(duì)此前設(shè)計(jì)了具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、大小和形狀的四鏈 αβ-蛋白質(zhì)以及更大的 TIM 桶的蛋白質(zhì)。TIM 桶，也稱為 α/β 桶，由八個(gè) α 螺旋和八個(gè)平行的 β 鏈組成，它們沿著肽主鏈交替。然而，這些設(shè)計(jì)太小，無(wú)法容納活動(dòng)站點(diǎn)。
國(guó)立自然科學(xué)研究院 (NINS) 的合著者 Rie Koga 在一份聲明中解釋說(shuō)：“迄今為止，我們創(chuàng)造的理想蛋白質(zhì)比自然界中常見的蛋白質(zhì)更穩(wěn)定、更易溶解。” “我們認(rèn)為這些蛋白質(zhì)將成為設(shè)計(jì)感興趣的新生化功能的有用起點(diǎn)。”
該團(tuán)隊(duì)還想測(cè)試他們以前設(shè)計(jì)的通用性。
“我們開始測(cè)試我們之前開發(fā)的設(shè)計(jì)原則的通用性，將它們應(yīng)用于具有 5 條和 6 條 β 鏈的較大 α/β 蛋白的設(shè)計(jì)，”該研究所副教授、合著者 Nobuyasu Koga 博士說(shuō)。 NINS 的分子科學(xué) (IMS)。
較大蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)結(jié)果令研究人員感到困惑。該團(tuán)隊(duì)嘗試的前三種蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)表明能量函數(shù)或設(shè)計(jì)概念中缺少某些東西。他們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)模型不同，導(dǎo)致蛋白質(zhì)通過交換 β 鏈的內(nèi)部位置而折疊不同。據(jù)研究人員稱，交換狀態(tài)具有有利于設(shè)計(jì)狀態(tài)的自由能。
為了解釋這種現(xiàn)象，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了迭代計(jì)算設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，其中使用 Rosetta 序列獨(dú)立折疊模擬來(lái)生成主鏈結(jié)構(gòu)，然后在每個(gè)生成的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上構(gòu)建側(cè)鏈。然后對(duì)設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)進(jìn)行表達(dá)、純化，并通過圓二色性 (CD) 光譜、尺寸排阻色譜結(jié)合多角度光散射 (SEC-MALS) 和 HN 異核單量子相干 (HSQC) NMR 光譜進(jìn)行表征。
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