數據驅動蛋白質設計促成發明細胞內煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸探針

蛋白質設計研究如何通過指定或改變氨基酸序列來控制、改變蛋白質結構和功能。蛋白質是生命功能最主要的執行者，研究者能夠通過遺傳編碼讓細胞自動合成表達人工蛋白，表徵細胞狀態，調控細胞功能。因此，有效、可靠的蛋白質設計能在生命科學不同領域發揮重要作用，特別是在新興的合成生物學方向，可成為重要支撐技術。

6月5日，《自然 - 方法》雜誌在線發表了華東理工大學教授楊弋、研究員趙玉政課題組與中國科學技術大學教授劉海燕課題組合作的研究論文 Genetically encoded fluorescent sensors reveal dynamic regulation of NADPH metabolism。遺傳編碼的代謝物探針是一類經過人工設計改造的蛋白質，能特異性結合特定小分子代謝物，繼而通過熒光等在細胞內原位報告小分子代謝物濃度。這類探針必須具備以高親和力和高選擇性結合特定代謝物的能力，這需要通過對蛋白質氨基酸序列進行改造來實現。在華東理工大學團隊提出了模板蛋白質和改造目標後，中國科大團隊基於他們在蛋白質設計、結構生物信息學等方面的經驗和方法積累，系統分析比較了現有蛋白質結構資料庫中的相關小分子結合口袋，設計了突變方案，促成了首類煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）熒光蛋白探針 iNap 的發明。iNap 探針可用於在活體、活細胞及各種亞細胞結構中對重要代謝物 NADPH 的高時空分辨檢測和成像。該論文第一作者為華東理工大學博士生陶榮坤、研究員趙玉政和中國科大博士生初環宇，通訊作者為楊弋和劉海燕。

蛋白質設計作為結構生物學、計算與信息科學、物理化學等的多學科交叉前沿，進入了 2016 年《科學》雜誌評選的年度科學進展前十位。近年來，國內多方面的生命科學基礎研究實現了跨越式發展。然而，在諸如蛋白質設計等交叉科學和源頭類方法技術方面的研究還亟待加強，才能滿足提升原始創新能力的需要。上世紀九十年代，中國科大施蘊渝團隊著眼於交叉學科發展和人才培養，在國內率先開展了蛋白質分子設計有關的基礎理論和方法學研究。近年來，中國科大若干團隊繼續在此方向開展深入研究，在分子生物物理原理指導下建立數據驅動的蛋白質設計模型，經實驗驗證，設計成功率顯著提升。例如，劉海燕團隊在《自然 - 通訊》報道了原創的 ABACUS 方法，能以高成功率進行氨基酸序列從頭設計，是目前國際上達到此性能的兩種蛋白質設計方法之一；他們還應邀在結構生物學綜述雜誌 Curr Opin Struct Biol 撰寫了相關方法進展的綜述。這些工作為推動數據驅動蛋白質設計的發展，滿足生物感測、合成生物學等新領域對蛋白質設計的需求奠定了基礎。

來源：中國科學技術大學

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