北京時(shí)間2025年2月20日，西湖大學(xué)未來(lái)產(chǎn)業(yè)研究中心、生命科學(xué)學(xué)院、西湖實(shí)驗(yàn)室盧培龍課題組，在Nature雜志在線發(fā)表題為De novo design of transmembrane fluorescence-activating proteins的科研報(bào)道——他們首次實(shí)現(xiàn)了跨膜熒光激活蛋白的從頭設(shè)計(jì)，這也是第一個(gè)通過(guò)人工設(shè)計(jì)得到的能夠非共價(jià)結(jié)合特定小分子的跨膜蛋白。博士生朱璟熠、梁明福、孫科為本文共同第一作者，研究員盧培龍為通訊作者。

　　論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08598-8

　　顧名思義，跨膜蛋白“跨”在細(xì)胞膜上，如果將細(xì)胞膜看作城墻的話，膜蛋白就是進(jìn)出城市的城門，細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)交換、信息傳遞，都要通過(guò)各種各樣的膜蛋白來(lái)完成。人類基因組編碼的所有蛋白質(zhì)中，有超過(guò)四分之一是膜蛋白。

　　人體的五種感覺(jué)——視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)——都依賴于膜蛋白的關(guān)鍵作用。拿視覺(jué)來(lái)說(shuō)，人視網(wǎng)膜視錐細(xì)胞中的視紫紅質(zhì)(rhodopsin)，是人類直接感受光信號(hào)的分子，它結(jié)合作為感光基團(tuán)的視黃醛(retinal)，并借助視黃醛分子光致變構(gòu)的特性，對(duì)外界的光信號(hào)作出響應(yīng)，從而使人類能夠看見(jiàn)多姿多彩的大千世界。

　　作為細(xì)胞生命活動(dòng)的核心部件，膜蛋白的功能一旦出現(xiàn)異常，細(xì)胞乃至整個(gè)生命體的生理活動(dòng)就容易出問(wèn)題，各種疾病也便隨之而來(lái)。目前世界上大約一半現(xiàn)代藥物的靶標(biāo)分子都屬于膜蛋白。在許多常見(jiàn)的心血管疾病、精神類疾病，以及更難治療的癌癥、阿爾茨海默癥等疾病中，都能夠找到與其密切相關(guān)的膜蛋白分子，增強(qiáng)或抑制這些膜蛋白的功能，很可能成為治療疾病的關(guān)鍵。

　　“那么是否有可能通過(guò)人工設(shè)計(jì)來(lái)按需定制全新的、理想的膜蛋白呢?”

　　10年前，盧培龍加入了華盛頓大學(xué)蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)研究所——也就是2024年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者David Baker的課題組——開(kāi)啟了一段長(zhǎng)達(dá)5年的博士后研究。2018年，也就是入組的第四年，他在世界上首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)多次跨膜蛋白的精確從頭設(shè)計(jì)。該研究采用了多條螺旋狀的結(jié)構(gòu)作為蛋白骨架，與天然存在的跨膜蛋白的常見(jiàn)架構(gòu)相符合。

　　這項(xiàng)工作標(biāo)志著對(duì)膜蛋白的精確設(shè)計(jì)的起步。也因?yàn)樯性谄鸩诫A段，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的膜蛋白只有結(jié)構(gòu)，沒(méi)有生理功能。

　　2019年，盧培龍回國(guó)，全職加入西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，組建了自己的課題組——蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室。2020年8月，Nature報(bào)道了由他與David Baker團(tuán)隊(duì)合作完成的最新研究——全球首次實(shí)現(xiàn)對(duì)跨膜孔蛋白的精確從頭設(shè)計(jì)。

　　這次在Nature發(fā)表的新工作，是盧培龍?jiān)?019年回國(guó)后開(kāi)展的，一作朱璟熠是2019級(jí)博士研究生。他入學(xué)的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)室才剛剛“開(kāi)張”，他跟著盧老師從買試劑買設(shè)備開(kāi)始，想盡快把這個(gè)課題啟動(dòng)起來(lái)。

　　他們的目標(biāo)，是從頭設(shè)計(jì)一種能夠特異性地結(jié)合某種小分子的跨膜蛋白。這好比在生物膜環(huán)境中創(chuàng)造了一個(gè)獨(dú)特的“泊位”，只能允許特定類型的“船舶靠岸”停放。

　　前面提到的人類直接感受光信號(hào)的視紫紅質(zhì)，就是因?yàn)榫哂心軌蛱禺惤Y(jié)合視黃醛分子的“泊位”，才能夠發(fā)揮感光的作用。這里“特異結(jié)合”的結(jié)構(gòu)，被形象地稱為“結(jié)合口袋(binding pocket)”。不同膜蛋白的“結(jié)合口袋”能夠根據(jù)其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，來(lái)識(shí)別、結(jié)合與之相匹配的特定配體，從而實(shí)現(xiàn)特定的功能。比如葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖分子進(jìn)入人體細(xì)胞，為細(xì)胞提供能量;或者NMDA受體被氯胺酮藥物分子抑制，對(duì)抑郁癥起到治療的作用。

　　課題組計(jì)劃在從頭設(shè)計(jì)的蛋白內(nèi)部也構(gòu)建一個(gè)這樣的“口袋”，來(lái)特異性地結(jié)合目標(biāo)配體分子。

跨膜熒光激活蛋白結(jié)構(gòu)示意圖

　　作為結(jié)合目標(biāo)的小分子，他們也選好了——一種名叫HBC的熒光基團(tuán)。這種分子在游離狀態(tài)下并不會(huì)發(fā)光，只有當(dāng)以特定姿態(tài)被穩(wěn)定結(jié)合，才能發(fā)出熒光。如果成功，這項(xiàng)技術(shù)有望廣泛應(yīng)用在膜成像、跨膜傳感器、跨膜物質(zhì)傳輸?shù)阮I(lǐng)域。

　　選擇熒光基團(tuán)作為目標(biāo)配體分子還有另外一個(gè)理由。在上一次設(shè)計(jì)“跨膜孔蛋白”的時(shí)候，為了驗(yàn)證那些離子究竟是不是從設(shè)計(jì)好的通道蛋白中透過(guò)去的，需要用復(fù)雜的測(cè)試體系才能得到強(qiáng)有力的證據(jù)，這一過(guò)程花費(fèi)了課題組大量的時(shí)間。而如果選擇會(huì)發(fā)光的分子，亮了即代表成功，一目了然。

　　設(shè)計(jì)過(guò)程分為兩步——先設(shè)計(jì)一個(gè)水溶性、不跨膜的簡(jiǎn)易版;成功后，再將其改造成跨膜蛋白。

　　研究人員打磨了數(shù)不清的設(shè)計(jì)版本，終于成功構(gòu)建出了這樣一個(gè)“口袋”，它不僅成功地結(jié)合(點(diǎn)亮)了配體熒光基團(tuán)HBC599，而且結(jié)合后的熒光強(qiáng)度是游離狀態(tài)的上千倍，遠(yuǎn)超天然跨膜熒光蛋白。

　　再后來(lái)，研究人員們一方面穩(wěn)住好不容易得來(lái)的“口袋”結(jié)構(gòu)，另一方面把蛋白表面從“親水”設(shè)計(jì)成“疏水”，最終得到了一個(gè)“跨膜”版本的熒光激活蛋白。這一次足足亮了1600倍!

　　2023年9月，盧培龍最后一輪修改完文章，正式向Nature投稿。龍年春節(jié)前夕，編輯發(fā)回三位匿名審稿人的意見(jiàn)，評(píng)價(jià)兩極化非常嚴(yán)重。對(duì)設(shè)計(jì)的跨膜熒光蛋白進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)解析，為這個(gè)課題保留了一線生機(jī)，但也僅僅只有“一線”而已。冷靜下來(lái)后，盧培龍也認(rèn)可這個(gè)審稿意見(jiàn)?！按饲按_實(shí)有很多人嘗試設(shè)計(jì)膜蛋白，也不乏一些有意思的結(jié)果，但最大的問(wèn)題在于它們很難形成穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)，缺乏結(jié)構(gòu)上的驗(yàn)證，又或者很難做到實(shí)驗(yàn)中獲得的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)模型一致?！?/p>

　　“不管是結(jié)構(gòu)生物學(xué)，還是蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)，我都是在全世界最強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)室里學(xué)的。”盧培龍?jiān)谶@樣的打氣中覓得了解題思路，“我們的跨膜熒光蛋白太小了，可以用蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的方法把它變大呀!”

　　2024年9月，距離上一次投稿正好一年。課題組成功解析出設(shè)計(jì)蛋白與熒光基團(tuán)復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，證實(shí)其與設(shè)計(jì)模型高度一致。修改完善后的文章，終于得到了三位審稿人的正面意見(jiàn)。