两层ɑ螺旋同心环组成的跨膜孔蛋白结构示意图

8月26日，《自然》在线发表西湖大学 学院研究员卢培龙课题组与华盛顿大学David Baker等课题组合作的人工设计跨膜蛋白质的最新研究：《跨膜孔蛋白的计算机辅助设计》。该研究在世界上首次实现了跨膜孔蛋白的精确从头设计。 华盛顿大学博士徐纯福和卢培龙为该文的共同第一作者， 卢培龙研究员、华盛顿大学教授William A. Catterall和David Baker为该文的共同通讯作者。此外，大阪大学、剑桥大学的多位研究人员也在该项研究中作出重要贡献。

在本项研究中，卢培龙实验室与合作团队一起，成功设计了由两层ɑ螺旋同心环组成的2种跨膜孔蛋白，分别可以选择性通透不同分子尺寸以及带电性质的溶质。

首先，研究人员通过对ɑ螺旋结构进行参数化设计，设计了由12个螺旋和16个螺旋组成的水溶性形式的孔蛋白。其中，12螺旋的孔蛋白（六聚体）孔径约为3.3 ? ，16螺旋的孔蛋白（八聚体）孔径约为10 ?。通过对设计孔蛋白进行重组表达、纯化、鉴定与结构验证， 研究人员证明所设计的孔蛋白性质非常稳定（比如结构较之天然蛋白，具备对高温更好的耐受性），并具有与计算设计模型相一致的三维结构。

在此基础上，研究人员设计了相应的跨膜孔蛋白。电生理实验表明，12螺旋跨膜通道蛋白可以通透离子，并且具有对钾离子的选择性；换句话说，这种蛋白可以特异性选择通透某一种离子。在脂质体实验中，16螺旋跨膜纳米孔蛋白可以通透分子量约为1000道尔顿的荧光分子，而12螺旋通道蛋白则不能；即该种孔蛋白作为“筛子”，也对分子的空间大小有所要求，当分子满足这个“孔”的“大小”，就可以穿透；这也与两种孔蛋白各自的孔径相符。最后，研究人员解析了16螺旋跨膜纳米孔蛋白的冷冻电镜结构，与设计模型非常一致，证明了所开发的从头设计方法的准确性。

这项研究是世界上第一次实现对跨膜孔蛋白质的精确从头设计，有助于人们更好地理解物质跨膜转运，即细胞在新陈代谢等生命活动过程中进行正常物质交换的基本原理，为人工设计具有重要功能的跨膜蛋白质奠定了坚实的基础。

这也为人工蛋白质后续可能的应用打开了大门，有望为纳米孔基因测序、分子检测等生物技术提供新的检测手段。例如：人工设计具有特殊通道结构的纳米孔蛋白，可应用于纳米孔测序技术，提高DNA纳米孔测序技术的精度；人工设计全新配体门控的通道蛋白，将能推进基于通道蛋白的分子检测技术等。相当于我们可以在一间屋子里设计不同的“窗户”，实现不同的功能。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2646-5