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[摘要]研究人員描述了一種用來設計蛋白的計算方法，蛋白設計物能結合到大分子標的物表面上一個區域。根據此方法，可以確定出未固定到蛋白骨架上的氨基酸殘基與靶分子表面的有益的相互作用，并將它們用于錨定從頭設計出的蛋白界面上。研究人員通過該方法設計出來的蛋白，能夠結合到廣泛流行性病毒1918 H1N1蛋白血凝素(HA)主干上的一個保守的表面區域。經過親和力成熟(affinity maturation)后，這些設計出的蛋白當中，有兩個蛋白HB36和HB80能結合到H1和H5的血凝素上，同時表現出較低的納摩爾級親和力(low nanomolar affinity)。再者，HB80能抑制低pH條件下誘導的血凝素融膜性的構象變化。HB36與1918/H1血凝素復合物的晶體結構揭示實際的結合界面幾乎與計算設計模型上的界面一樣。這種設計出來的能與靶分子結合的蛋白可能在診斷和治療領域有用。
流感病毒血凝素主干(灰色和黃色)與蛋白設計物(綠色)結合模型(by David Baker) 根據2011年5月13人發布在Science雜志上的一篇研究論文，計算生物學者們設計并制造出兩個新的蛋白，它們能牢固地結合到流感病毒得以侵入細胞的一個關鍵性的蛋白。這些新蛋白是在世界各地20多萬臺個人計算機的幫助下而設計出來的。它們可能有朝一日適合作為有效的抗病毒治療藥物。長期而言，這種方法完全有可能成為應用于診斷和治療領域的抗體技術的有力補充。 為了設計出能與一個標的物(如病原蛋白)相互作用的蛋白，研究人員可以從大量的蛋白結構文庫中查詢，以便找到幾個與靶分子大致互補的蛋白，然后微調這些蛋白結構而使得它們與靶分子結合更牢固。或者，研究人員將病原體引入動物體內，強迫動物免疫系統對病原靶分子產生免疫反應，然后從產生的眾多抗體當中篩選出合適的抗體。 前一種方法，研究人員可以控制設計出的蛋白在哪些位點以及怎樣結合靶分子，但是這些蛋白很可能與靶分子結合不牢固。而后面一種更貼近自然的方法能產生對靶分子有高親和力的抗體，但是研究人員很少能控制抗體-抗原結合的動力學。 然而隨著靶分子的快速變異，如流感病毒的表面蛋白血凝素(hemagglutinin)，它的大部分區域都不斷的突變和變化從而躲避宿主抗體的結合，即便之前能很好結合的抗體也很快變得無用。 為了解決這個難題，華盛頓大學的計算生物學者David Bake和他的同事將研究重點聚焦于血凝素中一個相當穩定的區域，而且該區域在很多流感病毒菌株中高度保守。已經證實，結合到這個保守區域的抗體能夠阻止病毒外殼與宿主細胞膜融合而導致的感染。 將這種保守區域作為研究對象，研究人員不得不反過頭來解決這個問題，首先搜尋這個區域中蛋白能夠牢固結合的藏匿處(nooks and crannies)，然后再確定一串氨基酸序列，這些序列能契合進這些藏匿處，且能作為吊鉤的形式發揮作用。 一旦能構建一個完整的氨基酸序列吊鉤文庫，研究人員就可以搜索到結構已知的蛋白，它們大致能契合進血凝素的構象中，作為蛋白骨架容納氨基酸序列吊鉤。 隨后，研究人員修飾這些骨架蛋白的空間定位和序列，以便固定住氨基酸序列吊鉤，這樣氨基酸序列吊鉤就可以與血凝素相互作用。由于這是一項重要但又費時的方法，研究人員向公眾尋求幫助解決和優化這些蛋白的三維結構。大約25萬名自愿者下載了Baker實驗室開發的免費軟件，這個軟件能讓自愿者家中的電腦為這項復雜的運算提供計算能力。 加州大學舊金山分校的計算生物學家Tanja Kortemme認為，這個設計方法非常別出心裁，為了解決問題，首先尋找能與靶分子相互作用的氨基酸側鏈，然而去尋找一個能夠展示這些側鏈的分子骨架。 最終，研究人員找到了大約80個新蛋白。當它們在酵母膜上表達的時候，只有兩個能結合到血凝素上，而且結合強度還可通過微調氨基酸序列得到進一步改善。 Baker說，成功率仍然太低了。然而，在能結合到血凝素上的兩個設計的新蛋白中，通過比較其中一個新蛋白的晶體結構與據以設計出該蛋白的初始計算模型，Baker發現它們完全重合。這是從頭蛋白設計(de novo protein design)方法的一個異常罕見的成功實例。盡管這個模型仍然需要改善，但是它能夠成功地預測兩個蛋白之間的相互作用。\\生命科學論壇\\ towersimper towersimper博文：http://bbs.bioon.net/bbs/home.php?mod=space&uid=139460&do=blog&id=90275 注：版權所有，歡迎轉載，轉載請注明來源作者。
一個蛋白設計物與血凝素的結合物的X射線結構圖(by David Baker) |
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