新研究使得從頭設計復雜的跨膜蛋白成為可能

在現實世界中，人們發現跨膜蛋白嵌入到所有細胞和細胞器的膜中。這些跨膜蛋白對它們正常運作是至關重要的。比如，許多天然存在的跨膜蛋白充當著特定物質穿過生物膜的通道。一些跨膜蛋白接收或傳輸細胞信號。鑒于這樣的作用，許多藥物旨在靶向跨膜蛋白并改變它們的功能。

但是理解跨膜蛋白如何組合在一起以及它們是如何發揮作用的是充滿挑戰性的。鑒于它們在嵌入細胞膜時發揮作用，跨膜蛋白要比在水溶液中發揮作用的組成細胞質或胞外液的蛋白更難研究。

在一項新的研究中，美國華盛頓大學蛋白質設計學院主任、華盛頓大學蛋白質設計醫學院生物化學教授David Baker、Baker實驗室高級研究員Peilong Lu及其同事們開發出一種被稱作Rosetta的計算機程序，這種計算機程序能夠預測一種蛋白在合成后將要折疊出的結構。相關研究結果發表在2018年3月2日的Science期刊上，論文標題為“Accurate computational design of multipass transmembrane proteins”。

蛋白的結構是至關重要的，這是因為蛋白的結構決定著它的功能。一種蛋白的形狀是通過組成它的氨基酸之間的復雜相互作用和這些氨基酸與周圍環境之間的復雜相互作用形成的。最終，這種蛋白呈現出**地平衡所有這些因素的形狀，從而使得它達到盡可能低的能量狀態。

Lu和他的同事們采用的Rosetta程序能夠通過考慮這些相互作用和計算最低的整體能量狀態來預測一種蛋白的結構。這種程序能夠為一條氨基酸鏈構建出數萬種結構模型，隨后鑒定出具有最低能量狀態的結構模型。這些研究人員證實由此獲得的結構模型準確地代表著這條氨基酸鏈在天然狀態下可能會呈現出的結構。

確定跨膜蛋白的結構是較為困難的，這是因為它們的一部分必須跨過由脂質組成的生物膜內部。

在水溶液中，具有極性側鏈的氨基酸殘基（在某些生理條件下可能帶電荷或者參與氫鍵形成的組分）往往位于蛋白表面上，在那里它們能夠與水分子相互作用，從而使得蛋白分子的側邊攜帶負電荷或正電荷。因此，蛋白表面上的極性氨基酸殘基是親水性的。

另一方面，非極性氨基酸殘基往往在遠離極性水溶液的蛋白內核中包裝在一起。這樣的氨基酸殘基是疏水性的。因此，蛋白的親水性氨基酸殘基和疏水性氨基酸殘基與周圍水溶液之間的相互作用有助促進蛋白折疊并讓蛋白的最終結構保持穩定。

然而，膜中的蛋白折疊更為復雜，這是因為膜的脂質內部是非極性的，即它沒有發生電荷分離。這意味著若要在膜中保持穩定，跨膜蛋白必須在它的表面上放置非極性的疏水性氨基酸殘基，并且將它的極性的親水性氨基酸殘基包裝在它的內部。隨后，它必須在它的內核中的親水性氨基酸殘基之間建立化學鍵來讓它的結構保持穩定。

Lu說，解決這個問題的關鍵在于利用Baker實驗室開發出的一種方法來設計蛋白，從而使得極性的親水性氨基酸殘基以一種足以形成極性-極性相互作用的方式在膜內部組裝，這就從膜內部將蛋白連接在一起。

利用這種方法，Lu和他的同事們能夠通過使用多達215個氨基酸在細菌和哺乳動物細胞內制造事先設計的跨膜蛋白。所制造的蛋白經證實是高度熱穩定的并且能夠在膜表面上正確地自我定位。正如天然存在的跨膜蛋白一樣，這些蛋白是多跨膜的，這意味著它們能夠多次穿過膜，并組裝成穩定的多蛋白復合物，如二聚體、三聚體和四聚體。

Lu說，“我們證實如今準確地設計復雜的能夠在細胞中表達的多跨膜蛋白是有可能的。這將使得研究人員設計具有全新結構和功能的跨膜蛋白是有可能的。”