蛋白質(zhì)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(zhì)結(jié)構(gòu)和功能。蛋白質(zhì)是生命功能最主要的執(zhí)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，表征細胞狀態(tài)，調(diào)控細胞功能。因此，有效、可靠的蛋白質(zhì)設計能在生命科學不同領域發(fā)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》雜志在線發(fā)表了華東理工大學楊弋教授、趙玉政研究員課題組與中國科學技術大學劉海燕教授課題組合作的研究論文“Genetically encoded fluorescent sensors reveal dynamic regulation of NADPH metabolism”（http://www.nature.com/nmeth/journal/vaop/ncurrent/full/nmeth.4306.html）。遺傳編碼的代謝物探針是一類經(jīng)過人工設計改造的蛋白質(zhì)，能特異性結(jié)合特定小分子代謝物，繼而通過熒光等在細胞內(nèi)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(jié)合特定代謝物的能力，這需要通過對蛋白質(zhì)氨基酸序列進行改造來實現(xiàn)。在華東理工大學團隊提出了模板蛋白質(zhì)和改造目標后，中國科學技術大學團隊基于他們在蛋白質(zhì)設計、結(jié)構(gòu)生物信息學等方面的經(jīng)驗和方法積累，系統(tǒng)分析比較了現(xiàn)有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中的相關小分子結(jié)合口袋，設計了突變方案，促成了首類煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）熒光蛋白探針iNap的發(fā)明。iNap探針可用于在活體、活細胞及各種亞細胞結(jié)構(gòu)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、趙玉政研究員和中科大博士生初環(huán)宇，通訊作者為楊弋教授和劉海燕教授。
蛋白質(zhì)設計作為結(jié)構(gòu)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》雜志評選的年度科學進展前十位。近年來，國內(nèi)多方面的生命科學基礎研究實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。然而，在諸如蛋白質(zhì)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(chuàng)新能力的需要。上世紀九十年代，中國科學技術大學施蘊渝院士團隊著眼于交叉學科發(fā)展和人才培養(yǎng)，在國內(nèi)率先開展了蛋白質(zhì)分子設計有關的基礎理論和方法學研究。 近年來，我校若干團隊繼續(xù)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(shù)據(jù)驅(qū)動的蛋白質(zhì)設計模型，經(jīng)實驗驗證，設計成功率顯著提升。例如，劉海燕教授團隊在《自然-通訊》報道了原創(chuàng)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(zhì)設計方法之一；他們還應邀在結(jié)構(gòu)生物學重要綜述雜志Curr Opin Struct Biol撰寫了相關方法進展的綜述。這些工作為推動數(shù)據(jù)驅(qū)動蛋白質(zhì)設計的發(fā)展、以滿足生物傳感、合成生物學等新領域?qū)Φ鞍踪|(zhì)設計的需求奠定了基礎。
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