發(fā)布日期：2016-08-04
David Baker非常欣賞大自然的杰作。“這是我最喜歡的地方。”這位出生在美國西雅圖市的科學(xué)家站在華盛頓大學(xué)的一個(gè)臺(tái)階上，欣賞著遠(yuǎn)處海拔4400米的雷尼爾雪山說。但如果跟著他走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，你很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)這位計(jì)算生化學(xué)家明顯不只滿足于自然界的饋贈(zèng)，至少在分子領(lǐng)域是這樣的。在其辦公室里一張低矮的咖啡桌上，放著8個(gè)玩具大小的3D打印蛋白質(zhì)復(fù)制品。
David Baker正在展示他所在團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作的人工蛋白模型。圖片來源：Rich Frishman
一些呈環(huán)狀和球狀，一些則呈管狀和籠狀，在Baker及同事設(shè)計(jì)制作出它們之前，這些蛋白質(zhì)模型均不存在。
過去幾年，得益于基因組學(xué)和計(jì)算機(jī)學(xué)的革命性成果，Baker的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)解決了現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)最大的挑戰(zhàn)：解釋氨基酸長鏈如何折疊為讓“生命機(jī)器”運(yùn)轉(zhuǎn)的三維蛋白質(zhì)。現(xiàn)在，他和同事已經(jīng)通過這種方法設(shè)計(jì)并合成了非天然的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)可以在醫(yī)藥到材料等不同領(lǐng)域發(fā)揮作用。
目前，這位蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)大師已經(jīng)開發(fā)了一種實(shí)驗(yàn)性艾滋病病毒疫苗、旨在同時(shí)抵抗所有流感病毒毒株的新蛋白、將重組后的DNA運(yùn)入細(xì)胞內(nèi)的載體分子以及幫助微生物吸收大氣二氧化碳并將其轉(zhuǎn)化為有用化學(xué)物質(zhì)的新酶。Baker團(tuán)隊(duì)及其合作者還報(bào)告稱，他們正在用多達(dá)120種設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)制作進(jìn)行可自我聚合的“籠子”，這將會(huì)打開通往新一代分子機(jī)器的大門。
如果說讀寫DNA引發(fā)了分子生物學(xué)的一場革命，那么設(shè)計(jì)新蛋白的本領(lǐng)將會(huì)在幾乎所有事物身上帶來革命。“沒有人知道它意味著什么”，因?yàn)樗兄绊憯?shù)十個(gè)不同學(xué)科的潛力，馬里蘭大學(xué)帕克分校蛋白折疊專家John Moult說，“它完全是革命性的。”
從DNA到蛋白質(zhì)
構(gòu)建蛋白質(zhì)的機(jī)制對地球上的所有生命來說都是最根本的。解決這一問題的一個(gè)方法是在實(shí)驗(yàn)上確定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，比如通過諸如X光結(jié)晶法以及核磁共振（NMR）檢測等。然而，這些方法不僅緩慢，而且昂貴。即便在今天，國際蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫僅儲(chǔ)存著大約11萬種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，而科學(xué)家認(rèn)為蛋白質(zhì)的種類卻有億萬種，乃至更多。
了解其他蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)有助于生化學(xué)家洞察每個(gè)分子的功能。為此，Baker等計(jì)算機(jī)建模專家嘗試?yán)糜?jì)算機(jī)模型解決蛋白折疊的問題。
研究人員想到了兩種主要的折疊模型。其中，同源建模是將一個(gè)目標(biāo)蛋白的氨基酸序列與一個(gè)模板（擁有類似序列且已知其三維模型的蛋白質(zhì)）進(jìn)行對比。但這種方法卻存在一個(gè)主要問題：盡管研究人員已經(jīng)進(jìn)行了大量昂貴的X光結(jié)晶法以及核磁共振檢測，但依然沒有足夠的已知其結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)可以用作模板。
而在20多年前，當(dāng)Baker開始在華盛頓大學(xué)任教時(shí)，當(dāng)時(shí)的模板數(shù)量就更少。這促使他跟蹤第二種方式，即從頭建模，該方法是通過計(jì)算相鄰氨基酸之間的拉力和推力，以此預(yù)測蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。Baker還成立了一個(gè)生化實(shí)驗(yàn)室研究氨基酸之間的互動(dòng)，從而幫助他建模。
通過這種更加強(qiáng)大的計(jì)算能力，他們創(chuàng)建了一個(gè)眾包性的外延項(xiàng)目（名字是Rosetta@home），該項(xiàng)目可以讓人們將閑置的計(jì)算機(jī)用于需要進(jìn)行的計(jì)算，從而研究所有潛在的蛋白折疊。隨后，他們還添加了一個(gè)叫作Foldit的視頻游戲外延，可以讓偏遠(yuǎn)用戶的獨(dú)特蛋白折疊觀點(diǎn)指導(dǎo)Rosetta的計(jì)算。該方法吸引了來自國際科學(xué)界的100多萬名用戶，此外還收到了包括從設(shè)計(jì)新蛋白到預(yù)測蛋白與DNA互動(dòng)方式等在內(nèi)的20多個(gè)軟件包。
“David做的最聰明的一件事是成立了一個(gè)社群。”Baker此前的博士后、華盛頓大學(xué)蛋白設(shè)計(jì)研究所研究員Neil King說。現(xiàn)在約有400名活躍的科學(xué)家持續(xù)更新及改進(jìn)Rosetta軟件。該項(xiàng)目可供科研人員和非營利用戶免費(fèi)使用，但是會(huì)向企業(yè)收取3.5萬美元的費(fèi)用。
基因組學(xué)線索
盡管Rosetta非常成功，但其仍有局限性。該軟件在預(yù)測氨基酸長度小于100的小蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)方面非常精確，但是和其他從頭建模的軟件一樣，它在構(gòu)建大蛋白質(zhì)分子時(shí)卻存在困難。幾年前，Baker開始設(shè)想能解構(gòu)大多數(shù)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。
上世紀(jì)90年代計(jì)算生物學(xué)家Chris Sander提出的一項(xiàng)技術(shù)給他打開了一扇窗戶。Sanders等人很好奇基因序列是否有助于分辨那些展開時(shí)距離遙遠(yuǎn)、折疊成三維結(jié)構(gòu)后彼此臨近的氨基酸對。他推理認(rèn)為，那些比鄰的氨基酸對對蛋白質(zhì)的功能非常關(guān)鍵，并提出那些對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)非常必要的特定氨基酸對可能會(huì)共同演化。
Baker和同事意識(shí)到掃描基因組能夠給Rosetta的從頭建模提供新的約束條件，他們抓住了這個(gè)機(jī)會(huì)寫了一個(gè)叫作Gremlin的新軟件，可以同時(shí)對比基因序列，并呈現(xiàn)所有可能同時(shí)進(jìn)化的氨基酸對。“我們很自然地將它運(yùn)用到Rosetta中。”Baker說。
其產(chǎn)生的結(jié)果非常有力，它讓Rosetta成為普遍認(rèn)為的最好的從頭建模方式，而且它背后還有著更加深遠(yuǎn)的含義。5年前，從頭建模僅僅確定了約8000個(gè)沒有模板的蛋白質(zhì)家族的56個(gè)蛋白。而從那以后，僅是Baker的團(tuán)隊(duì)就補(bǔ)充了900個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。哈佛醫(yī)學(xué)院的Debora Marks認(rèn)為，這種方式已經(jīng)適用于4700個(gè)蛋白質(zhì)家族。隨著基因組數(shù)據(jù)大規(guī)模涌入科學(xué)庫，Baker和Sander預(yù)測，讓蛋白折疊模型擁有足夠共同演化的氨基酸對數(shù)據(jù)以解開幾乎任何蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，可能只需要兩三年時(shí)間。
“萬能”蛋白質(zhì)
對于Baker來說，這只是開始。隨著Rosetta運(yùn)算能力的穩(wěn)步提升以及計(jì)算能力的日益強(qiáng)大，Baker的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)掌握了蛋白折疊的規(guī)律，他們已開始利用這些知識(shí)嘗試“超越大自然的創(chuàng)作物”。“生物醫(yī)學(xué)界幾乎所有的東西都會(huì)因?yàn)槟軌蛑谱鞒龈玫牡鞍踪|(zhì)而受到影響。”哈佛大學(xué)合成生物學(xué)家George Church說。
Baker注意到，數(shù)十年來科學(xué)家一直在追求一種他稱之為“尼安德特人蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)”的策略，它意味著可以扭曲現(xiàn)有的蛋白基因，使其做一些新事情。“我們過去一直受限于自然界存在的物質(zhì)……現(xiàn)在我們能夠讓生物進(jìn)化走捷徑，設(shè)計(jì)出解決現(xiàn)代問題的蛋白質(zhì)。”
而且，非天然蛋白質(zhì)的潛在應(yīng)用不只局限于醫(yī)藥領(lǐng)域。Baker及其同事還將一種叫作綠色熒光蛋白分子的120個(gè)副本聚合到一個(gè)籠子上，創(chuàng)建了當(dāng)它們在組織內(nèi)移動(dòng)時(shí)能夠通過光亮輔助研究的“納米燈籠”。
預(yù)測氨基酸序列如何折疊的能力有助于了解蛋白質(zhì)如何發(fā)揮作用，由此打開了設(shè)計(jì)出能夠催化特定化學(xué)反應(yīng)或是可用作醫(yī)藥、材料的新蛋白通道。這些蛋白基因能夠在合成之后植入自然界生成蛋白質(zhì)的微生物體內(nèi)。去年，Baker的團(tuán)隊(duì)和合作者報(bào)告稱他們在細(xì)菌體內(nèi)設(shè)計(jì)了一種全新的新陳代謝通道，它是用一個(gè)人工設(shè)計(jì)的能讓微生物將大氣二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料和化學(xué)物質(zhì)的蛋白質(zhì)實(shí)現(xiàn)的。
在一項(xiàng)或許可以稱為迄今為止最發(fā)人深省的研究中，Baker團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了能夠攜帶信息的蛋白，模仿DNA的4個(gè)核酸信使在DNA分子有名的雙螺旋結(jié)構(gòu)中結(jié)合、纏繞。現(xiàn)在，這些蛋白質(zhì)螺旋結(jié)構(gòu)尚不能傳遞細(xì)胞能讀取的遺傳信息。但它們具有深遠(yuǎn)的象征意義：蛋白設(shè)計(jì)者已經(jīng)超越了自然的限制，現(xiàn)在限制他們的只有自己的想象力。“我們可以利用功能性蛋白建立一個(gè)全新的世界。”Baker說。
來源：中國科學(xué)報(bào)
