跨膜蛋白在生物膜的物質(zhì)、能量和信息交換中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。此前，諾獎得主、蛋白質(zhì)設(shè)計先驅(qū) David Baker 教授及西湖大學(xué)盧培龍研究員等已在跨膜蛋白的從頭設(shè)計方面取得了重要突破，但設(shè)計能夠高親和力、高特異性結(jié)合小分子的跨膜蛋白，仍是一個巨大挑戰(zhàn)，也是合成生物學(xué)與結(jié)構(gòu)生物學(xué)交叉領(lǐng)域亟待突破的技術(shù)瓶頸。
2025 年 2 月 19 日，西湖大學(xué)盧培龍團(tuán)隊在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Nature 發(fā)表了題為：De novo design of transmembrane fluorescence-activating proteins 的研究論文。
該研究通過結(jié)合深度學(xué)習(xí)和基于能量的方法，成功設(shè)計出了能夠特異性結(jié)合熒光配體的跨膜熒光激活蛋白（tmFAP），首次實現(xiàn)了跨膜蛋白與配體分子在膜內(nèi)的非共價相互作用的精確從頭設(shè)計，并展示了其在活細(xì)胞中的熒光激活能力。
盧培龍，2009 年本科畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命學(xué)院；2014 年博士畢業(yè)于清華大學(xué)生命學(xué)院，師從施一公教授；之后在華盛頓大學(xué)進(jìn)行博士后研究，師從蛋白質(zhì)設(shè)計先驅(qū)David Baker教授；2019 年加入西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，組建蛋白質(zhì)設(shè)計/合成生物學(xué)實驗室。
在這項最新研究中，研究團(tuán)隊使用 Rosetta 軟件進(jìn)行序列設(shè)計和優(yōu)化，結(jié)合 AlphaFold2 進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)測和驗證。首先設(shè)計了一個穩(wěn)定的四螺旋束結(jié)構(gòu)的水溶性熒光激活蛋白（wFAP），該蛋白具有一個中央口袋，能夠結(jié)合并激活熒光配體（HBC599），其中 wFAP1.1 和 wFAP1.2 變體表現(xiàn)出較高的熒光激活能力和結(jié)合親和力，與 HBC599 的親和力達(dá)到納摩爾級別，使其熒光亮度激活超過 1600 倍，結(jié)合態(tài)的亮度和量子產(chǎn)率均優(yōu)于常用的增強(qiáng)型綠色熒光蛋白（EGFP）。
在 wFAP 的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊通過重新設(shè)計表面氨基酸殘基，將其轉(zhuǎn)化為跨膜蛋白，同時盡量減少對配體結(jié)合口袋結(jié)構(gòu)的擾動。使用 ColabDesign 框架進(jìn)行跨膜序列的生成，結(jié)合AlphaFold2 進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)測和優(yōu)化，從而設(shè)計出了跨膜熒光激活蛋白（tmFAP）。其中，tmFAP1.2 變體表現(xiàn)出最高的結(jié)合親和力和量子產(chǎn)率。冷凍電鏡結(jié)構(gòu)驗證顯示，這些蛋白的結(jié)構(gòu)與設(shè)計模型高度一致。
跨膜熒光激活蛋白冷凍電鏡結(jié)構(gòu)與設(shè)計模型高度一致
研究團(tuán)隊還在活細(xì)菌和真核細(xì)胞中表達(dá)了這些設(shè)計的 tmFAP 蛋白，結(jié)果顯示，這些蛋白在細(xì)胞中表達(dá)后會自發(fā)定位到細(xì)胞膜組分中，并能夠特異性激活熒光配體（HBC599）的熒光，且在膜環(huán)境中表現(xiàn)出較高的亮度和量子產(chǎn)率。
跨膜熒光激活蛋白設(shè)計與表征
該研究成功從頭設(shè)計出了能夠特異性結(jié)合小分子配體的跨膜蛋白，這些設(shè)計蛋白在活細(xì)胞中表現(xiàn)出高活性和特異性，該研究為跨膜蛋白的從頭設(shè)計提供了新的思路和方法，未來可以進(jìn)一步探索這些設(shè)計蛋白在生物醫(yī)學(xué)和生物工程中的應(yīng)用，例如開發(fā)新的生物傳感器、藥物遞送系統(tǒng)和膜運(yùn)輸工具等。
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該研究在世界上首次實現(xiàn)了多達(dá) 8 個跨膜區(qū)域的跨膜蛋白的精確從頭設(shè)計，為設(shè)計具有新功能的多跨膜蛋白奠定了基礎(chǔ)。
論文鏈接：
1. https://www.nature.com/articles/s41586-025-08598-8
2. https://www.nature.com/articles/s41467-024-52582-1
3. https://www.nature.com/articles/s41422-024-01014-2
4. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2646-5
5. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaq1739
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