首次成功地从头开始构建出激活荧光分子的β桶蛋白

2018-09-24 绿谷生物 Nature
浏览

 科学家们之前通过改变自然界中存在的蛋白而制造出小分子结合蛋白。这种方法极大地限制了制造出这些蛋白的可能性。在一项新的研究中,来自美国华盛顿大学等研究机构的研究人员首次完全从头开始构建出一种能够与小分子靶标结合的蛋白。这种从头开始制造这样的蛋白的能力为人们构建出自然中不可能发现的蛋白开辟了道路。这样的蛋白可定制设计,能够高精准地和高亲和力地结合并作用于特定的小分子靶标上。这种方法应当在研究、医学和工业领域具有广泛的应用。相关研究结果于2018年9月12日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“De novo design of a fluorescence-activating β-barrel”。论文通信作者为华盛顿大学医学院生物化学教授David Baker,论文第一作者为华盛顿大学Baker实验室高级研究员Jiayi Dou和Anastassia A. Vorobieva。

β桶蛋白的设计原则,图片来自Nature, doi:10.1038/s41586-018-0509-0。
 

为了制造出这样的蛋白,这些研究人员必须首先完成另一个目标:从头开始构建出一种被称作β桶(beta-barrel)的圆筒形蛋白。β桶蛋白的结构是比较理想的,这是因为这种圆筒结构的一端能够经设计后让这种蛋白本身保持稳定,它的另一端能够用于产生一种作为靶分子结合位点的腔室(cavity)。

蛋白由一长串的氨基酸组成。一旦合成结束后,这种氨基酸链折叠成精确的形状,从而使得蛋白能够发挥它的功能。这种氨基酸链所呈现出的形状通常是非常复杂的,但是两种常规的结构特征通常会出现:α-螺旋(alpha-helix),它是当这种氨基酸链中的片段绕着中心轴缠绕时形成的;被称作β折叠(beta-sheet)的片状结构。

当来自一种氨基酸链的不同部分的两个或以上的片段由于折叠而在三维空间中并排延伸时,β-折叠就形成了。这些片段通过氢键“缝合在一起”,从而形成这种片状结构。接着,这些β折叠能够组装成桶状结构:β桶。在自然界中,β-桶蛋白能够结合很多小分子。

为了设计出这些新的小分子结合蛋白,Dou和Vorobieva使用了一种在Baker实验室开发的软件平台Rosetta。它能够预测一种特定的氨基酸链在合成后将呈现出何种形状,并且能够判断这种氨基酸链中的单个氨基酸的变化如何改变这种形状。这种预测能力使得测试利用不同的氨基酸组合来设计出具有所需形状和功能的蛋白成为可能。

为了让β桶蛋白的一端形成一种用于结合小分子靶标的腔室,这些研究人员使用了一种强大的新的对接算法,它被称为“旋转异构体相互作用场”(Rotamer Interaction Field, RIF),是由Baker实验室的高级研究员William Sheffler开发出来的。RIF可快速地鉴定出满足结合特定分子的先决条件的所有潜在的腔室结构。

在这项新的研究中,Dou、Vorobieva和Sheffler利用这种的RIF对接算法设计出能够结合一种被称作DFHBI的化合物的β桶蛋白。DFHBI 是一种类似于绿色荧光蛋白 (GFP) 发色团的小分子,当暴露在某些频率的光线下时会发出荧光。他们证实他们定制设计的β桶蛋白能够强烈地结合并激活DFHBI化合物。他们设计出的这些β桶蛋白能够在细菌细胞酵母细胞和哺乳动物细胞中发挥作用,而且鉴于它们的大小仅为绿色荧光蛋白的一半,它们应当对科学家们是非常有用的。

参考资料:

Jiayi Dou, Anastassia A. Vorobieva, William Sheffler et al. De novo design of a fluorescence-activating β-barrel. Nature, Published Online: 12 September 2018, doi:10.1038/s41586-018-0509-0.

Roberto A. Chica. Designer proteins activate fluorescent molecules. Nature, Published Online: 12 September 2018, doi:10.1038/d41586-018-06202-w.