北京時間2025年2月20日，西湖大學未來產(chǎn)業(yè)研究中心、生命科學學院、西湖實驗室盧培龍課題組，在Nature雜志在線發(fā)表題為De novo design of transmembrane fluorescence-activating proteins的科研報道——他們首次實現(xiàn)了跨膜熒光激活蛋白的從頭設(shè)計，這也是第一個通過人工設(shè)計得到的能夠非共價結(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”在細胞膜上，如果將細胞膜看作城墻的話，膜蛋白就是進出城市的城門，細胞內(nèi)外的物質(zhì)交換、信息傳遞，都要通過各種各樣的膜蛋白來完成。人類基因組編碼的所有蛋白質(zhì)中，有超過四分之一是膜蛋白。

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

　　作為細胞生命活動的核心部件，膜蛋白的功能一旦出現(xiàn)異常，細胞乃至整個生命體的生理活動就容易出問題，各種疾病也便隨之而來。目前世界上大約一半現(xiàn)代藥物的靶標分子都屬于膜蛋白。在許多常見的心血管疾病、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人工設(shè)計來按需定制全新的、理想的膜蛋白呢?”

　　10年前，盧培龍加入了華盛頓大學蛋白質(zhì)設(shè)計研究所——也就是2024年諾貝爾化學獎獲得者David Baker的課題組——開啟了一段長達5年的博士后研究。2018年，也就是入組的第四年，他在世界上首次實現(xiàn)了對多次跨膜蛋白的精確從頭設(shè)計。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架構(gòu)相符合。

　　這項工作標志著對膜蛋白的精確設(shè)計的起步。也因為尚在起步階段，當時設(shè)計的膜蛋白只有結(jié)構(gòu)，沒有生理功能。

　　2019年，盧培龍回國，全職加入西湖大學生命科學學院，組建了自己的課題組——蛋白質(zhì)設(shè)計實驗室。2020年8月，Nature報道了由他與David Baker團隊合作完成的最新研究——全球首次實現(xiàn)對跨膜孔蛋白的精確從頭設(shè)計。

　　這次在Nature發(fā)表的新工作，是盧培龍在2019年回國后開展的，一作朱璟熠是2019級博士研究生。他入學的時候，實驗室才剛剛“開張”，他跟著盧老師從買試劑買設(shè)備開始，想盡快把這個課題啟動起來。

　　他們的目標，是從頭設(shè)計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)造了一個獨特的“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的視紫紅質(zhì)，就是因為具有能夠特異結(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)其獨特的結(jié)構(gòu)，來識別、結(jié)合與之相匹配的特定配體，從而實現(xiàn)特定的功能。比如葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運葡萄糖分子進入人體細胞，為細胞提供能量;或者NMDA受體被氯胺酮藥物分子抑制，對抑郁癥起到治療的作用。

　　課題組計劃在從頭設(shè)計的蛋白內(nèi)部也構(gòu)建一個這樣的“口袋”，來特異性地結(jié)合目標配體分子。

跨膜熒光激活蛋白結(jié)構(gòu)示意圖

　　作為結(jié)合目標的小分子，他們也選好了——一種名叫HBC的熒光基團。這種分子在游離狀態(tài)下并不會發(fā)光，只有當以特定姿態(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。

　　選擇熒光基團作為目標配體分子還有另外一個理由。在上一次設(shè)計“跨膜孔蛋白”的時候，為了驗證那些離子究竟是不是從設(shè)計好的通道蛋白中透過去的，需要用復(fù)雜的測試體系才能得到強有力的證據(jù)，這一過程花費了課題組大量的時間。而如果選擇會發(fā)光的分子，亮了即代表成功，一目了然。

　　設(shè)計過程分為兩步——先設(shè)計一個水溶性、不跨膜的簡易版;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)計版本，終于成功構(gòu)建出了這樣一個“口袋”，它不僅成功地結(jié)合(點亮)了配體熒光基團HBC599，而且結(jié)合后的熒光強度是游離狀態(tài)的上千倍，遠超天然跨膜熒光蛋白。

　　再后來，研究人員們一方面穩(wěn)住好不容易得來的“口袋”結(jié)構(gòu)，另一方面把蛋白表面從“親水”設(shè)計成“疏水”，最終得到了一個“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，評價兩極化非常嚴重。對設(shè)計的跨膜熒光蛋白進行實驗結(jié)構(gòu)解析，為這個課題保留了一線生機，但也僅僅只有“一線”而已。冷靜下來后，盧培龍也認可這個審稿意見?！按饲按_實有很多人嘗試設(shè)計膜蛋白，也不乏一些有意思的結(jié)果，但最大的問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)上的驗證，又或者很難做到實驗中獲得的結(jié)構(gòu)與設(shè)計模型一致?！?/p>

　　“不管是結(jié)構(gòu)生物學，還是蛋白質(zhì)設(shè)計，我都是在全世界最強的實驗室里學的?！北R培龍在這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)計蛋白與熒光基團復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，證實其與設(shè)計模型高度一致。修改完善后的文章，終于得到了三位審稿人的正面意見。