Science：高通量分析上千種微型蛋白，有望引發蛋白工程變革

來源：作者：人氣：-發表時間：2017-07-17 09:16:00【大中小】

DNA合成技術取得的進展與利用計算方法設計新的蛋白獲得的改進相結合為進入數據驅動的蛋白分子工程的新時代做好準備。

在一項新的研究中，來自美國華盛頓大學和加拿大多倫多大學的研究人員報道了一種新的高通量方法使得對計算設計蛋白（computationally designed protein，即利用計算方法設計蛋白）的折疊穩定性進行最大規模的測試成為可能。相關研究結果發表在2017年7月14日的Science期刊上，論文標題為“Global analysis of protein folding using massively parallel design, synthesis, and testing”。論文通信作者為華盛頓大學生物化學教授David Baker，論文第一作者為華盛頓大學生物化學博士后研究員Gabriel Rocklin。

高通量分析微型蛋白
圖片來自UW Medicine Institute for Protein Design。

科學家們想要構建出新的在自然中不能發現的蛋白分子，這些分子能夠在阻止或治療疾病、在工業應用、在能量產生和在環境清理中發揮功能。

Rocklin說，“然而，當在實驗室中進行測試時，計算設計蛋白經常不能夠形成在設計它們時想要它們具有的折疊結構。”

在這項最新的研究中，這些研究人員測試了15000多種新設計的在自然中不存在的微型蛋白（mini-protein）以便觀察它們是否形成折疊結構。過去幾年的主要蛋白設計研究總共探究了僅50～100種設計蛋白。

最近的測試方法已導致人們設計出2788種穩定的蛋白結構，它們可能具有很多生物工程和合成生物學應用。當需要到達細胞內部時，它們較小的尺寸可能有利于治療疾病。

蛋白是由具有特定序列的氨基酸鏈組成的，天然的蛋白序列被編碼在細胞DNA中。這些氨基酸鏈折疊成三維構象。這種氨基酸鏈中的氨基酸序列指導它將在何處彎曲和扭轉，以及它的不同部分如何相互作用，從而將這種結構保持在一起。

幾年來，科學家們通過研究天然蛋白的結構，研究了這些相互作用。然而，天然蛋白結構通常是較大的和復雜的，具有上千種讓蛋白形成它的折疊形狀的相互作用。測量每種相互作用的貢獻變得非常困難。

這些研究人員利用計算方法設計他們自己的更加簡單的蛋白，從而解決了這個問題。這些更加簡單的蛋白使得分析讓所有蛋白保持它們的折疊結構的不同類型的相互作用更加容易。

Rocklin說，“然而，即便簡單的蛋白也是比較復雜的，因此研究上千種簡單的蛋白來了解它們為何折疊是比較重要的。在此之前，鑒于DNA的成本，這是不可能實現的。每種設計蛋白需要它自己的定制的DNA片段，這樣它才能夠在細胞內表達出來。這就使得之前的研究僅能夠測試幾十種設計蛋白。”

在這項研究中，為了編碼更短的設計蛋白，這些研究人員采用了DNA寡核苷酸文庫合成技術（DNA oligo library synthesis technology）。這種技術最初是為其他的實驗室操作開發的，如較大的基因組裝。給他們提供DNA的公司之一是CustomArray公司。他們也使用了安捷倫公司（Agilent）和Twist生物科學公司（Twist Bioscience）制造的DNA文庫。

通過多次重復這種計算和實驗測試循環，這些研究人員從他們的設計失敗中吸取教訓，逐漸地改進他們構建的模型。他們的設計成功率從6%上升到47%。他們也構建出以在他們初次設計蛋白時都失敗的形狀保持穩定的蛋白。

他們設計出的大量穩定的微型蛋白和不穩定的微型蛋白使得他們能夠定量地分析哪些蛋白特征與折疊相關聯。他們也將他們的設計蛋白的穩定性與同樣大小的天然蛋白的穩定性進行比較。

這些研究人員鑒定出的最為穩定的天然蛋白是一種得到大量研究的來自嗜熱脂肪芽孢桿菌（Bacillus stearothermophilus）的蛋白。這種有機體生活在較高的溫度（如在溫泉和海洋熱排氣口等）下。在如此高的溫度條件下，大多數蛋白喪失了它們的折疊結構。在這種條件下茁壯成長的有機體已進化出高度穩定的即便在炎熱條件下也保持折疊狀態的蛋白。

這些研究人員注意到，“總共774種設計蛋白具有比這種最為抵抗蛋白酶的單體蛋白更高的穩定性數值。”蛋白酶是降解蛋白的酶，是這些研究人員用來測量他們的上千種蛋白穩定性的必需工具。

這些研究人員預測，隨著DNA合成技術繼續改善，高通量設計更大的更加復雜的蛋白結構將有可能實現。

參考文獻

1. Gabriel J. Rocklin, Tamuka M. Chidyausiku, Inna Goreshnik et al. Global analysis of protein folding using massively parallel design, synthesis, and testing. Science, 14 Jul 2017, 357(6347):168-175, doi:10.1126/science.aan0693

2. Derek N. Woolfson, Emily G. Baker, Gail J. Bartlett. How do miniproteins fold? Science, 14 Jul 2017, 357(6347):133-134, doi:10.1126/science.aan6864

3. Feedback from thousands of designs could transform protein engineering