編輯丨王多魚(yú)

排版丨水成文

光響應(yīng)性蛋白質(zhì)在生命的所有領(lǐng)域中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它們能夠感知并響應(yīng)環(huán)境中的光信號(hào)。然而，從頭設(shè)計(jì)（

de novo

2025 年 8 月 28 日，西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院曹龍興團(tuán)隊(duì)在Nature Chemistry期刊發(fā)表了題為：

De novo

該研究開(kāi)發(fā)了一套可適用于非天然氨基酸的蛋白質(zhì)對(duì)接程序，通過(guò)整合光響應(yīng)非天然氨基酸AzoF與蛋白質(zhì)密碼子擴(kuò)展技術(shù)，從頭設(shè)計(jì)出了一系列可逆的光響應(yīng)性蛋白質(zhì)。

2024 年，蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域迎來(lái)高光時(shí)刻——蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)先驅(qū)David Baker教授獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。隨著人工智能（AI）技術(shù)的加持，蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展可謂突飛猛進(jìn)。

盡管該領(lǐng)域近年來(lái)取得了許多實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，但仍面臨一個(gè)重大挑戰(zhàn)：編程設(shè)計(jì)全新的蛋白質(zhì)，使它們能夠響應(yīng)環(huán)境刺激信號(hào)并在不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間切換。這種響應(yīng)性轉(zhuǎn)換對(duì)于精確控制它們的結(jié)構(gòu)和功能至關(guān)重要。在包括 pH、離子、小分子等眾多響應(yīng)機(jī)制中，光響應(yīng)性是十分特別的一種，其顯著特征是瞬時(shí)性，非侵入性和可逆調(diào)控性。其能夠在不改變?cè)畜w系組成的情況下，完成對(duì)生物學(xué)過(guò)程的精準(zhǔn)調(diào)控。

已經(jīng)有大量研究通過(guò)改造天然光蛋白質(zhì)應(yīng)用于控制生物學(xué)過(guò)程，但天然光響應(yīng)蛋白質(zhì)有其自身局限性，例如，天然光響應(yīng)蛋白質(zhì)一般需要持續(xù)光照、逆向過(guò)程所需時(shí)間長(zhǎng)、光響應(yīng)作用單一、蛋白折疊較為復(fù)雜、分子量較大、光響應(yīng)波長(zhǎng)固定、熱穩(wěn)定性有限等。站在工程化的角度，這些天然蛋白質(zhì)所包含的光感應(yīng)機(jī)制復(fù)雜，對(duì)其光感應(yīng)譜和動(dòng)力學(xué)的改造和精確控制較為困難。同時(shí)，天然蛋白質(zhì)復(fù)雜的折疊以及較大的分子量使其難以在異源系統(tǒng)中大量表達(dá)及應(yīng)用。因此，改造和應(yīng)用天然光響應(yīng)蛋白質(zhì)具有一定的局限性。

此外，以前的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)策略主要依賴(lài)于組成蛋白質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)的 20 種氨基酸作為主要構(gòu)建單元，這些氨基酸通常對(duì)光照不敏感。因此，從頭設(shè)計(jì)全新的光響應(yīng)蛋白質(zhì)需要光敏感的色素基團(tuán)，同時(shí)需要考慮發(fā)色團(tuán)激發(fā)與蛋白質(zhì)構(gòu)象轉(zhuǎn)換之間的微妙相互作用。編碼這樣的光響應(yīng)蛋白質(zhì)開(kāi)關(guān)非常復(fù)雜，是蛋白質(zhì)頭設(shè)計(jì)的重大挑戰(zhàn)。因?yàn)椋?strong>必須找到一種氨基酸序列，不僅能夠與所需的發(fā)色團(tuán)結(jié)合，還能夠在發(fā)色團(tuán)光異構(gòu)化（由光觸發(fā)）時(shí)發(fā)生所需的結(jié)構(gòu)變化。

為此，曹龍興課題組開(kāi)發(fā)了一整套結(jié)合 AI 深度學(xué)習(xí)、可適用于非天然氨基酸的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)結(jié)合密碼子擴(kuò)展技術(shù)，將光響應(yīng)性非天然氨基酸AzoF（苯丙氨酸-4′-偶氮苯）精準(zhǔn)設(shè)計(jì)于蛋白質(zhì)相互作用界面上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同對(duì)稱(chēng)性特征光響應(yīng)蛋白質(zhì)復(fù)合體的精確設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)篩選和驗(yàn)證，得到了結(jié)構(gòu)和序列多樣的蛋白復(fù)合物，包括一系列的光響應(yīng)蛋白質(zhì)同源多聚體和異源二聚體。

這些光響應(yīng)蛋白具有極其優(yōu)異的光響應(yīng)特性，能夠在不同光照條件下在復(fù)合物狀態(tài)與單體態(tài)之間迅速切換。其中異源二聚體LRD-7在響應(yīng)光的親和力變化程度達(dá)到 167 倍。光響應(yīng)蛋白質(zhì)單體由 65 個(gè)氨基酸構(gòu)成，分子量小，可以作為光控標(biāo)簽將靶蛋白工程化。除此之外，這些從頭設(shè)計(jì)的蛋白還具有極強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和高表達(dá)量，95°C 加熱恢復(fù)后依舊保持原有二級(jí)結(jié)構(gòu)，未經(jīng)優(yōu)化下的產(chǎn)量可達(dá) 40 mg/L。

圖1. 光響應(yīng)性同源多聚體（LRO）及異源二聚體（LRD）光響應(yīng)機(jī)制示意圖

該研究還進(jìn)一步應(yīng)用設(shè)計(jì)出的同源寡聚光響應(yīng)蛋白制備光響應(yīng)性蛋白水凝膠，這種全部由重組表達(dá)蛋白構(gòu)成的水凝膠具備優(yōu)良的固態(tài)-液態(tài)轉(zhuǎn)化特性（視頻1）。除此之外，研究中還應(yīng)用光響應(yīng)異源二聚體控制受體傳遞的基因表達(dá)信號(hào)（圖2）。

視頻1

圖 2 . 光響應(yīng)受體 - 配體對(duì)激活細(xì)胞信號(hào)通路示意圖

通過(guò)一套整合基于物理能量的蛋白質(zhì)對(duì)接與 AI 深度學(xué)習(xí)的計(jì)算蛋白設(shè)計(jì)方法，該研究首次從頭設(shè)計(jì)出眾多結(jié)構(gòu)豐富多樣的光響應(yīng)性蛋白質(zhì)，并從生物材料和細(xì)胞信號(hào)通路方向驗(yàn)證了其廣泛的應(yīng)用潛力。這項(xiàng)研究的意義不僅在于得到一系列的從頭設(shè)計(jì)的光響應(yīng)蛋白質(zhì)，更重要的是為光調(diào)控的蛋白-蛋白相互作用的從頭設(shè)計(jì)提供了新的方法和思路，為進(jìn)一步從頭設(shè)計(jì)光響應(yīng)靶標(biāo)結(jié)合蛋白，光響應(yīng)分子機(jī)器打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

西湖大學(xué)訪問(wèn)教師于博文（現(xiàn)山東第二醫(yī)科大學(xué)教師）為論文第一作者，西湖大學(xué)曹龍興研究員為論文通訊作者。其中，西湖大學(xué)解明岐課題組及申懷宗課題組為該研究提供了部分支持。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、西湖實(shí)驗(yàn)室、西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院等項(xiàng)目資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41557-025-01929-2