反复试验帮助研究人员设计大型理想蛋白质

2021年6 月 24 日——研究人员使用反复试验的迭代过程设计了“理想的”功能蛋白质，该过程结合了基于蛋白质折叠原理的计算机设计和实验室实验。这项工作于 6 月 24日发表在Nature Communications上，为具有相关生化功能的大蛋白质的从头设计铺平了道路。

理想蛋白质结构的设计由一组原则指导，这些原则的特点是一致的局部和非局部相互作用和结构，而没有内部能量受挫。这些原则包括一组将局部主链结构与成对 β 链上 α 螺旋的超二级结构堆积相关的设计规则，通过不利于非天然状态产生漏斗形景观。这些规则使理想蛋白质结构的从头设计成为可能。

蛋白质的远处部分聚集在一起的优点是允许比局部链段中可能的几何范围更广泛的几何形状，从而允许形成功能位点。许多酶由中央 β 折叠的核心组成，其中有 5 条或更多条链，两侧被 α 螺旋包围。

撰写该论文的和美国研究人员团队此前设计了具有不同拓扑结构、大小和形状的四链 αβ-蛋白质以及更大的 TIM 桶的蛋白质。TIM 桶，也称为 α/β 桶，由八个 α 螺旋和八个平行的 β 链组成，它们沿着肽主链交替。然而，这些设计太小，无法容纳活动站点。

国立自然科学研究院 (NINS) 的合著者 Rie Koga 在一份声明中解释说：“迄今为止，我们创造的理想蛋白质比自然界中常见的蛋白质更稳定、更易溶解。” “我们认为这些蛋白质将成为设计感兴趣的新生化功能的有用起点。”

该团队还想测试他们以前设计的通用性。

“我们开始测试我们之前开发的设计原则的通用性，将它们应用于具有 5 条和 6 条 β 链的较大 α/β 蛋白的设计，”该研究所副教授、合著者 Nobuyasu Koga 博士说。 NINS 的分子科学 (IMS)。

较大蛋白质的设计结果令研究人员感到困惑。该团队尝试的前三种蛋白质设计表明能量函数或设计概念中缺少某些东西。他们发现实验结构与计算机模型不同，导致蛋白质通过交换 β 链的内部位置而折叠不同。据研究人员称，交换状态具有有利于设计状态的自由能。

为了解释这种现象，该团队进行了迭代计算设计和实验，其中使用 Rosetta 序列独立折叠模拟来生成主链结构，然后在每个生成的蛋白质结构上构建侧链。然后对设计的蛋白质进行表达、纯化，并通过圆二色性 (CD) 光谱、尺寸排阻色谱结合多角度光散射 (SEC-MALS) 和 HN 异核单量子相干 (HSQC) NMR 光谱进行表征。

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