上海时间8月26日23时，刊物在线发表西湖学院生命科学大学卢培龙研究员课题组与芝加哥学院DavidBaker等课题组合作的人工设计跨膜蛋白质的最新研究：《跨膜孔蛋白的计算机辅助设计》（ofPores）。该研究在世界上首次实现了跨膜孔蛋白的精确从头设计。
芝加哥学院徐纯福博士和西湖学院生命科学大学卢培龙研究员为该文的共同第一作者，卢培龙研究员、华盛顿学院A.院士和DavidBaker院长为该文的共同通信作者。据悉，札幌学院、剑桥学院的多位研究人员也在该项研究中做出重要贡献。
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（一）从三个基本概念说起
要理解这项研究，首先要从3个基本概念说起：膜蛋白、通道蛋白/跨膜孔蛋白和蛋白质设计。
膜蛋白是指生物膜上的蛋白质，是生物膜功能的主要承当者，介导了细胞与外界环境之间的物质交换与信息传递，而且是能量代谢的重要参与者。假如我们把细胞想像成一间房间，那膜蛋白就是这间房间的阳台，阳光、空气不断通过这个房间的不同阳台与室外进行交换。
通道蛋白，是膜蛋白的一种，相当于这间房间其中一扇窗子，作为物质跨膜转运的通道，它在神经讯号传递、细胞程序性死亡等复杂的生理活动中起到了至关重要的作用，是好多重大人类癌症的抗生素作用靶向，也作为蛋白质工具被广泛应用于生物技术与研究。本次研究所设计的跨膜孔蛋白，就隶属于通道蛋白。
蛋白质设计是合成生物学领域的核心技术和新兴的前沿学科。蛋白质设计通过编排蛋白质的多肽序列，使其能否自发折叠产生所须要的三维结构，并具有一定的功能。蛋白质的从头设计，即完全基于生物化学与生物物理原理，不依赖现有的天然蛋白质结构，从头搭建、设计具有全新结构和全新功能的蛋白质，可以帮助我们探求整个蛋白质序列折叠空间。较之大自然界演变的蛋白质，人工设计的蛋白质，能在性能方面够好满足我们特定的需求。
（二）卢培龙她们做了哪些？
在本项研究中，卢培龙实验室与合作团队一起，成功设计了由两层ɑ螺旋同心环组成的2种跨膜孔蛋白（图1），分别可以选择性通透不同分子规格以及带电性质的溶质。
图1.两层ɑ螺旋同心环组成的跨膜孔蛋白结构示意图
首先，研究人员通过对ɑ螺旋结构进行参数化设计，设计了由12个螺旋和16个螺旋组成的水溶性方式的孔蛋白。其中,12螺旋的孔蛋白（六聚体）孔径约为3.3Å,16螺旋的孔蛋白（八聚体）孔径约为10Å。通过对设计孔蛋白进行重组抒发、纯化、鉴定与结构验证,研究人员证明所设计的孔蛋白性质十分稳定（例如结构较之天然蛋白，具备对低温更好的耐受性），并具有与估算设计模型相一致的三维结构。
图2.本研究所设计的16个螺旋组成的跨膜孔蛋白的3D复印模型
在此基础上，研究人员设计了相应的跨膜孔蛋白。电生理实验表明，12螺旋跨膜通道蛋白可以通透离子，而且具有对钾离子的选择性；换句话说，这些蛋白可以特异性选择通透某一种离子。在脂类体实验中,16螺旋跨膜纳米孔蛋白可以通透分子量约为1000道尔顿的萤光分子,而12螺旋通道蛋白则不能；即该种孔蛋白作为“筛子”，也对分子的空间大小有所要求，当分子满足这个“孔”的“大小”，就可以穿透；这也与两种孔蛋白各自的孔径相符。最后,研究人员解析了16螺旋跨膜纳米孔蛋白的冷藏电镜结构，与设计模型十分一致，证明了所开发的从头设计方式的确切性。
这项研究是世界上第一次实现对跨膜孔蛋白质的精确从头设计，有助于人们更好地理解物质跨膜转运，即细胞在新陈代谢等生命活动过程中进行正常物质交换的基本原理，为人工设计具有重要功能的跨膜蛋白质奠定了坚实的基础。
这也为人工蛋白质后续可能的应用打开了房门，有望为纳米孔基因测序、分子检查等生物技术提供新的测量手段。诸如：人工设计具有特殊通道结构的纳米孔蛋白，可应用于纳米孔测序技术，提升DNA纳米孔测序技术的精度；人工设计全新官能团门控的通道蛋白，将能推动基于通道蛋白的分子测量技术等。相当于我们可以在一间房间里设计不同的“窗户”，实现不同的功能。
（三）最大的挑战是“控制它的形状”
卢培龙常年旨在于蛋白质设计方向的研究，早在2018年，他就实现了多次跨膜蛋白三维结构的精确设计，证明了计算机设计的蛋白质序列可以在膜环境中自发折叠产生与设计模型一致的稳定三维结构（研究成果发表于刊物）。本次研究是基于往年研究成果取得的最新突破。
图3.卢培龙研究员与跨膜孔蛋白模型
它的难度在于，跨膜孔蛋白/通道蛋白与跨膜蛋白一样细胞膜水通道，都属于膜蛋白，并且具有更大的比表面积和相对低密度的分子内互相作用，从头设计跨膜孔蛋白的难度更为繁重；同时，进一步来讲，怎样在设计跨膜孔蛋白结构基础之上，实现选择性离子转运和小分子通透的功能，也面临着巨大挑战。也就是说，在研究过程中，怎样设计多肽的序列排布，自发产生特定结构的孔蛋白，让在微小规格上的蛋白质“长成特定的样子”，并具有特定的转运功能，是研究的重难点。
研究团队进行过两个版本的设计，首个版本的孔蛋白在空间上具有更为蜷曲的超螺旋细胞膜水通道，因而并没有产生稳定的孔蛋白；她们对设计进行了持续的改进、验证，对孔蛋白空间结构参数进行了调整，最终获得了成功。
接出来，西湖学院卢培龙研究组将继续通过蛋白质设计，为人类提供全新的蛋白质设计方式和自然界中不存在的蛋白质工具，满足生物技术与生物医学领域的需求。
在这项研究中，蛋白质从头设计工作得到西湖学院高性能估算平台的支持，冷藏电镜数据采集于西湖学院冷藏电镜平台，蛋白质质谱剖析完成于西湖学院质谱平台；本工作获得了国家自然科学基金委、西湖实验室、腾讯基金会的经费支持。