2021年6 月 24 日——研究人員使用反復試驗的迭代過程設計了“理想的”功能蛋白質，該過程結合了基于蛋白質折疊原理的計算機設計和實驗室實驗。這項工作于 6 月 24日發(fā)表在Nature Communications上，為具有相關生化功能的大蛋白質的從頭設計鋪平了道路。
理想蛋白質結構的設計由一組原則指導，這些原則的特點是一致的局部和非局部相互作用和結構，而沒有內部能量受挫。這些原則包括一組將局部主鏈結構與成對 β 鏈上 α 螺旋的超二級結構堆積相關的設計規(guī)則，通過不利于非天然狀態(tài)產生漏斗形景觀。這些規(guī)則使理想蛋白質結構的從頭設計成為可能。
蛋白質的遠處部分聚集在一起的優(yōu)點是允許比局部鏈段中可能的幾何范圍更廣泛的幾何形狀，從而允許形成功能位點。許多酶由中央 β 折疊的核心組成，其中有 5 條或更多條鏈，兩側被 α 螺旋包圍。
撰寫該論文的和美國研究人員團隊此前設計了具有不同拓撲結構、大小和形狀的四鏈 αβ-蛋白質以及更大的 TIM 桶的蛋白質。TIM 桶，也稱為 α/β 桶，由八個 α 螺旋和八個平行的 β 鏈組成，它們沿著肽主鏈交替。然而，這些設計太小，無法容納活動站點。
國立自然科學研究院 (NINS) 的合著者 Rie Koga 在一份聲明中解釋說：“迄今為止，我們創(chuàng)造的理想蛋白質比自然界中常見的蛋白質更穩(wěn)定、更易溶解。” “我們認為這些蛋白質將成為設計感興趣的新生化功能的有用起點。”
該團隊還想測試他們以前設計的通用性。
“我們開始測試我們之前開發(fā)的設計原則的通用性，將它們應用于具有 5 條和 6 條 β 鏈的較大 α/β 蛋白的設計，”該研究所副教授、合著者 Nobuyasu Koga 博士說。 NINS 的分子科學 (IMS)。
較大蛋白質的設計結果令研究人員感到困惑。該團隊嘗試的前三種蛋白質設計表明能量函數(shù)或設計概念中缺少某些東西。他們發(fā)現(xiàn)實驗結構與計算機模型不同，導致蛋白質通過交換 β 鏈的內部位置而折疊不同。據(jù)研究人員稱，交換狀態(tài)具有有利于設計狀態(tài)的自由能。
為了解釋這種現(xiàn)象，該團隊進行了迭代計算設計和實驗，其中使用 Rosetta 序列獨立折疊模擬來生成主鏈結構，然后在每個生成的蛋白質結構上構建側鏈。然后對設計的蛋白質進行表達、純化，并通過圓二色性 (CD) 光譜、尺寸排阻色譜結合多角度光散射 (SEC-MALS) 和 HN 異核單量子相干 (HSQC) NMR 光譜進行表征。
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