中國科大科研團隊建立全新的蛋白質(zhì)從頭設(shè)計路線

人民網(wǎng)北京2月14日電 （記者李依環(huán)）據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)消息，該校劉海燕教授、陳泉副教授團隊基于數(shù)據(jù)驅(qū)動原理，開辟出一條全新的蛋白質(zhì)從頭設(shè)計路線，在蛋白質(zhì)設(shè)計這一前沿科技領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了關(guān)鍵核心技術(shù)的原始創(chuàng)新，為工業(yè)酶、生物材料、生物醫(yī)藥蛋白等功能蛋白的設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。相關(guān)成果于北京時間2月10日發(fā)表于《自然》。

據(jù)介紹，目前，能夠形成穩(wěn)定三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，幾乎全部是天然蛋白質(zhì)。在天然蛋白結(jié)構(gòu)功能無法滿足工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用需求時，想要得到特定的功能蛋白，就需要對其結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。近年來，國際上蛋白質(zhì)從頭設(shè)計的代表性工作主要采用RosettaDesign——使用天然結(jié)構(gòu)片段作為構(gòu)建模塊來拼接產(chǎn)生人工結(jié)構(gòu)。然而，這種方法存在設(shè)計結(jié)果單一、對主鏈結(jié)構(gòu)細節(jié)過于敏感等不足，顯著限制了設(shè)計主鏈結(jié)構(gòu)的多樣性和可變性。

用SCUBA模型進行蛋白質(zhì)設(shè)計的原理。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)相關(guān)團隊長期深耕計算結(jié)構(gòu)生物學(xué)方向的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。劉海燕教授、陳泉副教授團隊十余年來致力于發(fā)展數(shù)據(jù)驅(qū)動的蛋白質(zhì)設(shè)計方法。該團隊首先建立了給定主鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計氨基酸序列的ABACUS模型，進而發(fā)展了能在氨基酸序列待定時從頭設(shè)計全新主鏈結(jié)構(gòu)的SCUBA模型。

理論計算和實驗證明，用SCUBA設(shè)計主鏈結(jié)構(gòu)，能夠突破只能用天然片段來拼接產(chǎn)生新主鏈結(jié)構(gòu)的限制，從而顯著擴展從頭設(shè)計蛋白的結(jié)構(gòu)多樣性，甚至設(shè)計出不同于已知天然蛋白的新穎結(jié)構(gòu)。“SCUBA模型+ABACUS模型”構(gòu)成了能夠從頭設(shè)計具有全新結(jié)構(gòu)和序列的人工蛋白完整工具鏈，是RosettaDesign之外目前唯一經(jīng)充分實驗驗證的蛋白質(zhì)從頭設(shè)計方法，并與之互為補充。

據(jù)悉，論文中，團隊報道了9種從頭設(shè)計的蛋白質(zhì)分子的高分辨晶體結(jié)構(gòu)，其中5種蛋白質(zhì)具有不同于已知天然蛋白的新穎結(jié)構(gòu)?！蹲匀弧冯s志審稿人認為，這項工作中提出的方法具有足夠的新穎性和實用性；從頭設(shè)計蛋白質(zhì)具有挑戰(zhàn)性，本工作中6種不同蛋白質(zhì)的高分辨率設(shè)計是一項重要成就，證明這種方法運行良好。