科學家為你設計手工蛋白質

編譯 凌寒

我們的身體會產生大約20 000種不同的蛋白質，從皮膚中的膠原蛋白到血液中的血紅蛋白。有些蛋白質呈分子層的形狀。其他的則被雕琢成纖維狀、箱狀、隧道狀，甚至剪刀狀。蛋白質的特殊形狀使得它能夠完成特定的工作，無論是將氧氣運送至全身還是幫助消化食物。

科學家研究蛋白質有近兩個世紀的歷史，在此期間，他們已經研究出細胞是如何利用簡單的構造模塊創造出蛋白質的。他們一直夢想著能夠利用這些元素組裝出自然界本不存在的新型蛋白質。

但他們卻被一個巨大的謎團難住了：蛋白質中的構造模塊最終是怎樣構建定型的呢？華盛頓大學蛋白質設計研究所主任——55歲的大衛·貝克（David Baker）——25年來一直致力于該謎題的研究。

現在看來，他和他的同事們似乎已經破解了這個謎題。在一定程度上，這要感謝超過100萬名志愿者的眾包計算機和智能手機，科學家已經弄清了如何選擇制造蛋白質構造模塊的原理，利用該原理就可以按照他們想要的形狀來制造蛋白質。

在2017年發表的一系列論文中，貝克博士和他的同事們公布了這項研究的成果。他們制造了上千種不同的蛋白質，這些蛋白質構型均來源于科學家的預測。這些蛋白質通常與自然界中發現的蛋白質有著很大的不同。

這種專業技術已經帶來了一種深刻的科學進步：細胞蛋白可以由人類——而不是大自然——來設計。貝克博士說:“我們現在可以依照基本原理從零開始構建我們想要的蛋白質類型了。”

他預測，科學家很快就能夠為各種不同的目的設計精確的分子工具。他的團隊已經構建了多種蛋白質，其應用目標涵蓋多個方面，從對抗流感病毒到分解食物中的谷蛋白，再到檢測微量的阿片類藥物。

加州大學舊金山分校分子生物學家威廉·迪哥拉多（William DeGrado）表示，貝克博士及其同事最近的研究是這一科學研究領域的里程碑。他說:“在20世紀80年代，我們曾夢想能夠出現如此引人矚目的成果。”

自然界中的每一種蛋白質都是由基因編碼的。利用這段DNA作為指導，細胞利用被稱為氨基酸的構造模塊組裝出相應的蛋白質。

細胞從20多種氨基酸中進行選擇并構建起一條氨基酸鏈。這條氨基酸鏈可能會延伸數十、數百甚至數千個單位。一旦細胞完成了氨基酸鏈的構建，這條鏈就會自行折疊，而這個過程通常會在百分之幾秒內完成。

蛋白質之所以會自行折疊，是因為其每一個氨基酸都帶有電荷。蛋白質鏈的某些部分相互吸引，而其他部分則相互排斥。在這些力的作用下，氨基酸之間很容易產生一些化學鍵；剛性化學鍵十分牢固。

所有這些原子力的結合使得每個蛋白質都變成了一個驚人的分子謎題。當貝克博士在加州大學伯克利分校讀研究生時，沒有人知道如何觀察氨基酸鏈，沒有人能夠預測它會折疊成什么形狀。蛋白質科學家把這個謎題簡稱為“折疊問題”。

這個折疊問題讓科學家操縱這些重要的生物元素的手段仿佛停留在了石器時代。他們只能使用恰好能在自然界中發現的蛋白質，就像早期人類尋找鋒利的巖石來從骨頭上剔肉一樣。

我們使用蛋白質已有幾千年歷史。例如，早期的奶酪制造商通過向牛奶中添加一塊小牛胃來使牛奶凝固。在胃里產生的蛋白質凝乳酶可將液態奶變成半固態的形式。

時至今日，科學家仍在尋找利用蛋白質的方法。例如，一些研究人員正在研究鮑魚殼中的蛋白質，希望能制造出更加堅不可摧的防彈衣。還有一些人正在研究利用蜘蛛絲制作降落傘繩索。研究人員也在嘗試對自然蛋白質進行適度的改變，以觀察一些微調是否可以讓這些蛋白質產生新的利用價值。

然而，對于貝克博士和許多其他的蛋白質科學家來說，這種“修修補補”的工作令人非常不滿意。在自然界中發現的蛋白質只代表了“蛋白質宇宙”——可能由不同的氨基酸組合構成的所有的蛋白質——的九牛一毛。

“當人們想要一種新的蛋白質時，他們會在自然界中尋找已經存在的東西，”貝克博士說，“沒有涉及設計的部分。

貝克博士長著一張小精靈般的臉，舉止活潑開朗，頭發凌亂不堪，參加學術報告時喜歡穿件T恤。他的外表下卻藏著無窮無盡的動力。

從伯克利大學畢業并入職華盛頓大學后，貝克博士即投身解決蛋白質折疊問題這一事業。他和他的同事們利用了自然蛋白質彼此相似的事實。

華盛頓大學蛋白質設計研究所主任大衛·貝克

新的蛋白質并非憑空產生——它們都是由祖先蛋白質進化而來的。每當科學家弄清了某種特定蛋白質的構型時，他們就能夠對相關蛋白質的構型做出有根據的推測。

科學家還依賴于這樣一個事實:許多蛋白質是由相似的部分組成的。一種常見的特征是螺旋形的氨基酸鏈，稱為阿爾法螺旋。研究人員學會了如何識別這些可折疊為螺旋狀的氨基酸序列。

20世紀90年代末，華盛頓大學的研究小組轉而用軟件對復雜蛋白質進行個體化研究。該實驗室決定為所有這些代碼創建一種通用語言，以便研究人員能夠獲取關于蛋白質的集體性知識。

1998年，他們推出了名為Rosetta的平臺，科學家可以利用這個平臺來構建虛擬氨基酸鏈，然后計算出該虛擬氨基酸鏈最可能的折疊方式。

一個名為Rosetta Commons的蛋白質科學家團體在此平臺基礎上成長了起來。在過去的20年里，他們每天都在改進軟件，并利用它來更好地了解蛋白質構型，以及這些構型如何使它們能夠發揮作用。

2005年，貝克博士發起了一個名為Rosetta@home的項目，該項目招募志愿者使用家用電腦——最終發展到使用安卓智能手機——貢獻計算機處理時間。過去12年里，已經有1 266 542人加入了Rosetta@home社團。

日積月累，Rosetta變得更加強大、更為精密復雜，科學家能夠利用眾包的計算機處理能力來更詳細地模擬折疊蛋白。他們的預測變得更加精準，令人震驚。

研究人員的研究范圍已經超越了現有蛋白質，進而開始對非天然序列的蛋白質進行研究。為了觀察這些非天然蛋白質在現實生活中的樣子，科學家為它們合成了基因，并將基因插入酵母細胞中，而這些酵母細胞則生產出由實驗室創造的蛋白質。

“在自然產生的蛋白質中，仍有一些我們不了解的細微之處，”貝克博士說，“但我們基本上已經解決了折疊問題。”

這些進步讓貝克博士的團隊有信心去面對更大的挑戰：他們開始為特定的工作從零開始設計蛋白質。研究人員首先要明確他們想要利用該蛋白質完成的任務，然后找出能夠按照正確方式折疊從而完成相應工作的氨基酸鏈。

在一項實驗中，他們與斯克里普斯研究所的病毒學家伊恩·威爾遜（Ian Wilson）團隊合作，設計出一種可對抗流感的蛋白質。

威爾遜博士一直在尋找能夠清除感染的方法，他的實驗室已經確定了一個特殊的潛在靶點：病毒表面的一個小囊。如果科學家能制造出一種能與小囊完美契合的蛋白質，它就能防止病毒侵入細胞。

貝克博士的團隊使用Rosetta設計出了這樣一種蛋白質，將他們的搜索范圍縮小到數千種可能完成這項工作的氨基酸鏈。他們模擬了每種氨基酸鏈的折疊，尋找可能與病毒小囊契合的氨基酸鏈組合。

然后，研究人員利用生物工程酵母將入選的氨基酸鏈轉化為真正的蛋白質。他們將這些蛋白質釋放給流感病毒。一些蛋白質比起其他蛋白質更容易捕獲病毒，研究人員將他們的分子杰作改進優化，直到最后他們得到了一個名為HB1.6928.2.3的蛋白質。

為了檢測HB1.6928.2.3阻止流感病毒感染的效果，他們在小鼠身上進行了實驗。他們把這種蛋白質噴進小鼠的鼻子里，然后向小鼠注射大劑量的流感病毒，而這種大劑量通常是致命的。

然而，這種蛋白質提供了100%的保護使小鼠免于死亡。HB1.6928.2.3是否能證明其在人體試驗中的價值，還有待觀察。

“如果一場新的疾病大流行即將發生，要是有一線藥物那該多好。”威爾遜博士說道。

HB1.6928.2.3只是貝克博士和他的同事設計和測試的眾多蛋白質中的一種。他們還制造了一種能夠阻止肉毒毒素的蛋白質分子以及一種可以檢測出微量的阿片類藥物芬太尼的蛋白質分子。此外，他們還制造了另一種蛋白質，這種蛋白質可以幫助那些谷蛋白不耐受人群分解食物中的谷蛋白分子。

最近，貝克博士的團隊演示了一個最具雄心的項目：一種能攜帶基因的蛋白質外殼。

研究人員設計了一種像樂高積木一樣可以自我裝配的蛋白質，組裝成一個空心球體。在這個過程中，它們也可以包裹入基因，并能在小鼠的血液中安全地運輸這些貨物數個小時。

這些外殼與病毒有著驚人的相似之處，盡管它們缺乏用以入侵細胞的分子。“我們有時稱它們為非病毒。”貝克博士說。

許多研究人員正在試驗用病毒作為載體在機體內運載基因。這些基因可以逆轉遺傳性疾病。在其他實驗中，它們則展示出對免疫細胞進行重組以對抗癌癥的美好前景。

然而，作為數十億年進化的產物，病毒通常不會像基因運輸騾子那樣“聽話溫馴”。“如果我們完全從頭開始構建一個運輸系統，它應該能更好地工作。”貝克博士說。

賽諾菲公司首席科學家加里·納貝爾（Gary Nabel）認為，這項新研究可能會帶來我們無法想象的分子發明。“這是一個全新的領域，因為你并不是對現有的蛋白質進行建模。”他說道。

目前，貝克博士和他的同事們只能制造短鏈蛋白質。這在一定程度上是由于制造編碼蛋白質的DNA片段成本太高。

但這項技術的進步飛快，目前該團隊正在測試更長、更大的蛋白質，這些蛋白質可能會用于更復雜的工作——其中就包括抗擊癌癥。

在癌癥免疫療法中，免疫系統通過癌細胞表面特異性蛋白質將其識別。免疫系統依賴于只能識別單一蛋白質的抗體。

貝克博士想要設計出這樣一種蛋白質，這種蛋白質只有在癌細胞表面同時鎖定幾種蛋白質后才能立即觸發反應。他猜想這些分子能夠更好地識別癌細胞，而與健康細胞秋毫無犯。

他說，本質上，“我們是在設計能進行簡單邏輯運算的分子。”事實上，他希望最終能制造出分子機器。

我們的細胞通過這樣一種引擎生產“燃料”，這是一種叫作ATP合酶的巨型蛋白質，其作用方式就像一種分子水車。當帶正電荷的質子穿過一圈氨基酸時，它每秒會旋轉100次。ATP合酶即利用這種能量來制造一種叫作ATP的燃料分子。

貝克博士說，隨著科學家更多地了解大分子蛋白質是如何構建成型的，我們應該有可能建立其他類似的復雜分子機器。

“自然界中有很多東西都是不循章法隨機出現的。”他說，“隨著我們理解了越來越多的基本原理，我們應該能夠做得更好。”