说到人工蛋白质设计，华盛顿大学的大卫贝克教授是业界当之无愧的“大神”。这位50岁的美国科学院院士领导的团队在计算和模拟蛋白质功能以及人工设计方面代表了该领域的前沿。今年早些时候，他的团队首次从零开始设计了一种抗癌蛋白，该成果发表在《自然》杂志上。
上周，在顶级学术期刊《科学》上，贝克教授的团队再次带来了新的突破。这一次，他们设计的蛋白质会变形！
蛋白为啥要“变形”？
为什么这项研究发表在《科学》上？这是关于它的意义。在计算机的帮助下，我们获得了一系列蛋白质设计的原理，可以从零开始设计出自由能最低的氨基酸序列，使其形成的蛋白质三维结构具有超高的稳定性。
虽然这是人工蛋白质设计的突破，但在实用性上明显受限。这些人造蛋白质非常稳定，像岩石一样坚硬。它们可以是很好的结构框架，也可以与其他蛋白质紧密结合，但在自然界中，许多天然蛋白质更加灵活，可以在不同的环境中表现出不同的构象。这些蛋白质还常常具有“开关”的功能，利用不同的构象做不同的事情。
例如，流感病毒被吞入细胞后，表面的血凝素(HA)蛋白会在酸性环境下“变形”，导致内体的细胞膜与流感病毒的脂膜融合，从而让流感病毒的遗传物质顺利进入细胞质并开始复制。
可见“变形”可以给蛋白质增加很多额外的功能，也是科学家想要了解和控制的蛋白质的特性之一。但是说起来容易做起来难。经过自然界数十亿年的进化，蛋白质分子的氨基酸序列不仅能形成理想的结构，还能根据周围环境发生变化。破解自然密码很难。
尽显人类智慧
但贝克教授的团队做到了！
多年来，这个团队积累的经验使他们将注意力集中在一种叫做组氨酸的氨基酸上。在中性条件下，这种氨基酸不带电荷。但当环境变成微酸性时，就会带正电，从而影响其形成氢键的能力。研究人员推断，这种特性可以帮助蛋白质“转化”。
组氨酸是蛋白质“变形”的关键(来源：参考文献[1])
后续研究也证实了这一想法的可靠性。研究人员通过计算机模拟设计了一种合成蛋白质。经过优化纯化后，可以在中性条件下自组装，成为聚合物。
接下来，是见证神奇时刻的时候了。在酸性条件下，这些蛋白质的组氨酸迅速带正电荷，破坏了蛋白质中的氢键网络，使组装的聚合物开始解体。这一操作将暴露蛋白质的疏水残基，使其成为两性分子。这不仅可以促进蛋白质单体与脂质膜的结合，还可以影响和破坏膜结构，使膜融合。
使用冷冻电子显微镜，研究人员证实，在酸性条件下，这些蛋白质确实可以与脂质体结合。然而，在碱性环境中，这种结合能力消失了。此外，研究人员还证实，这种结合必须依赖于组氨酸的存在。如果组氨酸被其他氨基酸取代，这些蛋白质即使在酸性条件下也不能与脂质体结合。
在酸性条件下，人工设计的蛋白质可以结合并破坏脂质体的膜结构(图片来源：参考文献[1])
这些结果表明，通过人类的设计，蛋白质确实在酸性条件下“变形”，表现出理想的特性，使膜融合。
变革药物递送？
在哺乳动物细胞实验中，这种人工蛋白质的“变形”能力再次得到验证。首先，研究人员修改了可变形蛋白质，使它们能够发出绿色荧光。然后，他们将这些蛋白质添加到细胞培养液中。
后续研究发现，细胞会“一口吞下”。正如人们依靠酸性胃液消化食物一样，细胞也将内吞作用送到“溶酶体”进行消化。有趣的是，这些蛋白质与溶酶体高度重合，表明它们已经进入溶酶体。但是这些蛋白质仍然可以发出荧光，说明它们还没有被消化。
进入溶酶体却不被降解，凸显了这些蛋白质“变形”的效果(来源：参考文献[1])
这些结果清楚地说明了蛋白质的成功“变形”。研究人员解释说，这些蛋白质被细胞吞噬后，在酸性溶酶体中开始变形，从而破坏溶酶体的膜结构。就像在胃上破了一个洞，让胃酸全部流出，自然削弱了溶酶体的消化能力。
同样，如果将这些可变形蛋白质中的组氨酸变成其他氨基酸，这些蛋白质就会失去变形能力。在溶酶体中，它们被消化干净。
在论文的最后，研究人员指出，目前，如果我们要将生物制剂输送到细胞质中，需要使用许多“粗糙”的方法，这些方法可能会带来毒副作用。虽然病毒载体没有那么“粗糙”，但也会造成免疫风险。在这项研究中，随pH值变化的蛋白质具有将分子从胞内体释放到细胞质中的潜力，因此有望带来一种新的药物递送方法。
“设计一种可以以可预测的方式改变的蛋白质，有望带来新一波分子药物，”贝克教授说。“这些分子可以穿透胞内体，因此它们有可能为药物输送带来新的工具。”
参考资料：
[1] Scott E. Boyken等人，(2019)，可调pH驱动构象变化的从头设计，科学，DOI: 10.1126/
[2]在纳米尺度上设计生物运动，2019年5月16日检索，来自