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Science：利用人工智能设计出可运动和改变形状的动态蛋白质

来源：花匠小妙招时间：2025-06-25 16:26

人工智能钙离子 AlphaFold2

来源：生物谷原创 2025-05-29 15:53

研究人员首次证明，可以制造出像天然蛋白质一样运动和改变形状的新型蛋白质。这项突破将帮助科学家们以全新方式设计蛋白质，用于疾病治疗、污染治理和作物增产。

蛋白质通过与其他分子相互作用时的形态变化催化生命活动——无论是肌肉收缩、光感形成，还是从食物中提取能量。但这种关键特性始终未被快速发展的人工智能（AI）辅助蛋白质工程领域所掌握。

如今，在一项新的研究中，来自加州大学旧金山分校（UCSF）的研究人员首次证明，可以制造出像天然蛋白质一样运动和改变形状的新型蛋白质。这项突破将帮助科学家们以全新方式设计蛋白质，用于疾病治疗、污染治理和作物增产。相关研究结果发表在Science杂志上。

论文通讯作者、加州大学旧金山分校生物工程教授Tanja Kortemme博士说，“这项研究迈出了超越生物医学、通向农业与环境应用的第一步。”

自1980年代以来，科学家们已能设计刚性蛋白质（无法运动或改变形状的蛋白质），这类蛋白质最初应用于清洁剂等商业产品，近年更催生了人工胰岛素、GLP-1减肥药及用于癌症和炎症的抗体药物等重磅疗法。Kortemme指出，尽管这些静态分子很重要，但其潜力远不及能复杂旋转、扭曲、变形并恢复原状的动态蛋白质。

医疗领域最需要模拟的是调控代谢、细胞分裂等基础生命功能的蛋白质——近三分之一美国食品药品管理局（FDA）批准药物的作用靶点正是这类通过形态切换（如同开关）实现细胞内外通讯的强有效的蛋白质。

设计这种稳定又动态的蛋白质需要近年才出现的计算能力和人工智能。面对巨大挑战，Kortemme与研究生Amy Guo从基础工作入手：赋予简单天然蛋白质新的运动能力。Guo首先使蛋白质部分结构摆动以实现钙离子结合（蛋白质变形的常见方式），“我们希望开发适用多种场景的设计方法，因此专注于创建能模拟天然蛋白质功能的可动部件，”她解释道，“这种运动特性未来也可添加到静态人工蛋白质以扩展其功能。”

具有可控运动的动态蛋白质的设计，模拟自然信号开关的机制

Guo随后构建了包含数千种可能构象的虚拟蛋白质文库，筛选出能结合钙离子与不能结合钙离子的两种稳定构象。通过原子级相互作用分析，并借助AlphaFold2人工智能程序的加速，她成功使可运动的蛋白质部分通过扭转捕获钙离子然后再释放。与加州大学旧金山分校药物化学家Mark Kelly博士合作进行的核磁共振原子可视化验证中，计算机模拟结果与预期完全一致。Guo表示，“这让我确信我们真的成功了。”

在医疗领域，这种可变形工程蛋白质可用于疾病信号响应的生物传感器，或定制化适配个体生化特性的治疗蛋白。此外，变形蛋白质还能设计用于降解塑料、增强植物抗旱抗虫能力，甚至制造可自修复的金属材料。Guo总结道，“可能性永无止境。”（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Amy B. Guo et al, Deep learning–guided design of dynamic proteins, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adr7094.

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