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清华-Science系列大讲堂 | 卢培龙、Dek Woolfson解密“蛋白质设计”

2021/07/16

2021年7月16日,清华-Science系列大讲堂迎来“计算结构生物学”专题第二讲——“蛋白质设计”。本期嘉宾为西湖大学生命科学学院特聘研究员卢培龙特聘研究员和布里斯托尔大学布里斯托尔生物设计研究所所长Dek Woolfson教授,清华大学生命科学学院李雪明副教授主持了本次讲座。



作为生命功能的主要执行者,蛋白质氨基酸序列和空间结构之间的关系是科学界关注的重要课题。如何在广袤的序列空间中选择合适的序列,使之折叠成特定的结构,不但有助于认识这一科学问题,而且能够为按需创造人工功能蛋白打下基础。蛋白质设计作为合成生物学的重要分支和新兴的前沿学科,需要生物物理学、生物化学以及计算生物学等多学科的交叉融合。蛋白质设计顾名思义是指基于生物物理与生物化学原理,通过计算机模拟辅助,设计蛋白质氨基酸序列,从而使其能够自发折叠形成设计预期的三维结构。人工设计的具有全新结构和全新功能的蛋白质,必将广泛应用于生物医药和生物技术领域并产生深远影响。在今天的报告中两位嘉宾便分别以《跨膜蛋白的计算设计》(Computational design of transmembrane proteins)和《蛋白质设计:向大自然学习,构建全新的蛋白质结构与功能》(Protein Design: Learning from Nature to Build Completely New Protein Structures and Functions)为题介绍了蛋白质设计最新研究进展。


卢培龙


第一位嘉宾来自西湖大学特聘研究员卢培龙博士,早在博士后期间,卢培龙博士便从头精确设计了多次穿膜蛋白质的三维结构。近年来其团队与华盛顿大学合作完成了纳米孔膜蛋白的精确设计,从而证明了人工设计的跨膜蛋白可以被精准设计并行使功能。在今天的报告中,他详细介绍了其团队关于跨膜蛋白的计算设计。具有多个跨膜区域的跨膜蛋白设计仍然是该领域面临的一大挑战。此前,其团队与华盛顿大学David Baker教授合作,针对跨膜纳米孔蛋白质进行从头设计,开发了计算方法,并进行实验验证,最终设计了由16个ɑ螺旋组成的同心环状的跨膜纳米孔蛋白质,并证明从头设计的模型与实验中获得的纳米孔结构高度一致。值得一提的是,本研究在世界上首次实现了跨膜纳米孔蛋白质的精确从头设计,有望将来应用于纳米孔测序技术,提高DNA纳米孔测序技术的精度,并将有助于设计和开发基于纳米孔的分子测序与检测技术。报告中,卢博士介绍到,其团队设计的二聚体和四聚体的晶体结构与设计模型非常接近。二聚体和四聚体是一种火箭形状的结构,有一个宽阔的细胞质基底,呈漏斗状,且形成八个跨膜螺旋。此外,他们成功地设计了由两个ɑ-螺旋同心圆组成的六聚体和八聚体跨膜蛋白孔。研究发现八聚体跨膜孔与螺旋重复域融合的冷冻电子显微镜结构与设计模型非常匹配。此研究也为其他的功能性跨膜蛋白质的设计提供重要线索,从而有助于更好地理解跨膜转运蛋白的选择性机制。


Dek Woolfson


随后,在第二个报告中, Dek Woolfson教授介绍了关于蛋白质设计的研究进展。Woolfson教授一直致力于研究化学和生物学之间的联系,如何运用化学方法和原理来理解生物学现象是其一大研究兴趣,例如蛋白质折叠和稳定性。他对理性蛋白质设计的挑战以及如何将其应用于合成生物学和生物技术领域有着长期的兴趣,特别强调通过结合理性和计算设计来制造自然生物学未知的全新蛋白质结构。也因此,向大自然学习,从自然界中获得灵感来构建全新的蛋白质结构与功能是其主要研究理念。报告中,Woolfson教授介绍到,目前构建可折叠成规定结构的全新蛋白质序列已经成熟,我们可以利用计算方法从零开始生成多种多样的稳定蛋白质折叠,但该领域面临的一个新挑战是如何超越自然存在的蛋白质结构,瞄准所谓的“蛋白质空间的暗物质”; 也就是说,蛋白质结构应该可以应用于化学和物理领域,但事实上,即时在生物学领域,蛋白质结构似乎也被忽略了或者说没有被大量使用。讲座中,Woolfson教授便通过详细的案例介绍说明了在这一新生领域中使用α-螺旋卷曲肽(de novo α-helical coiled-coil)作为构建块的可能性。同时,他还介绍了如何扩展蛋白质计算工具以设计产生“暗物质”蛋白质结构的相关研究。