来自日本和美国的一个团队已经确定了从头开始创建大型“理想”蛋白质的设计原则，为设计具有新生化功能的蛋白质铺平了道路。他们的研究结果发表在 2021 年 6 月 24 日的Nature Communications 。
研究人员之前阐明了设计具有完全一致的局部和非局部相互作用的理想蛋白质的原则，这使得设计具有四个或更少 β 链的各种新 αβ 蛋白质成为可能。这些原理将局部骨架结构与α-螺旋和β-链的超二级结构堆积排列相关联。这里，研究人员通过使用它们来设计更大的蛋白质来测试这些原理的普遍性，该蛋白质具有侧翼为 α 螺旋的五链和六链 β 折叠。最初的设计是在溶液中具有高热稳定性的单体，一个的核磁共振 (NMR) 结构接近设计模型，但对于另外两个，β-折叠中的链顺序被交换。对这种链交换起源的研究表明，设计模型的整体结构比 NMR 结构更加紧张。研究人员将全局骨架应变明确考虑纳入了设计方法，并成功地设计了具有预期未交换链排列的蛋白质。这些结果说明了实验结构确定在指导从头设计改进方面的价值，以及局部、超二级和全局三级相互作用在确定蛋白质拓扑结构中的一致性的重要性。增强的一组原则应该为更大的功能蛋白质的设计提供信息。并成功地设计出具有预期未交换链排列的蛋白质。
这种蛋白质通常设计有一种称为β链的分子特征，它对分子起着关键的结构作用。在之前的设计中，研究人员成功设计了具有四个 β 链的 α-β 蛋白。
日本国立自然科学研究院 (NINS) 生命和生命系统探索性研究中心的研究员 Rie Koga 说，迄今为止，创造的理想蛋白质比自然界中常见的蛋白质更稳定、更易溶。他们认为这些蛋白质将成为设计新的感兴趣的生化功能的有用起点。
该团队发现，虽然设计的蛋白质在结构上是理想的，但它们太小而无法容纳功能位点。
分子研究所副教授 Nobuyasu Koga 说：“开始测试他们之前开发的设计原则的通用性，将它们应用到具有 5 条和 6 条 β 链的较大 α-β 蛋白的设计中。结果令人费解。他们发现他们的实验结构与他们的计算机模型不同，导致蛋白质通过交换其 β 链的内部位置而折叠不同。该团队努力解决链交换难题，但通过在计算设计和实验室实验之间进行迭代，他们得出了结论。
共同第一作者、Nexomics Biosciences 首席科学官刘高华说，强调实验结构的确定对于计算蛋白质设计的迭代改进很重要。
“有时，当这些理想蛋白质的实验结构与其预期设计不同而不是匹配时，我们会从这些理想蛋白质中学到最多，因为这可以导致对基本原理的更深入理解”，共同作者和化学教授 Gaetano Montelione 补充道。伦斯勒理工学院的化学生物学。他们确定，链交换的原因是整个系统对基础骨架结构的应变。蛋白质可以调整整个系统链的长度和记录，以减轻这种骨架张力。接下来，研究人员计划继续研究更多功能蛋白质与可能被认为不太理想的蛋白质之间的权衡。
David Baker：“我们希望通过结合非理想特征来设计具有更复杂功能位点的蛋白质，这不仅对功能很重要，而且对缓解全局骨架应变也很重要。
参考资料
Koga, N., Koga, R., Liu, G. et al. Role of backbone strain in de novo design of complex α/β protein structures. Nat Commun 12, 3921 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41467-021-24050-7
