高通量分析上千种微型蛋白 有望引发蛋白工程变革

DNA合成技术取得的进展与利用计算方法设计新的蛋白获得的改进相结合为进入数据驱动的蛋白分子工程的新时代做好准备。

在一项新的研究中，来自美国华盛顿大学和加拿大多伦多大学的研究人员报道了一种新的高通量方法使得对计算设计蛋白（computationally designed protein，即利用计算方法设计蛋白）的折叠稳定性进行最大规模的测试成为可能。相关研究结果发表在2017年7月14日的Science期刊上，论文标题为“Global analysis of protein folding using massively parallel design， synthesis， and testing”。论文通信作者为华盛顿大学生物化学教授David Baker，论文第一作者为华盛顿大学生物化学博士后研究员Gabriel Rocklin。

科学家们想要构建出新的在自然中不能发现的蛋白分子，这些分子能够在阻止或治疗疾病、在工业应用、在能量产生和在环境清理中发挥功能。

Rocklin说，“然而，当在实验室中进行测试时，计算设计蛋白经常不能够形成在设计它们时想要它们具有的折叠结构。”

在这项最新的研究中，这些研究人员测试了15000多种新设计的在自然中不存在的微型蛋白（mini-protein）以便观察它们是否形成折叠结构。过去几年的主要蛋白设计研究总共探究了仅50～100种设计蛋白。

最近的测试方法已导致人们设计出2788种稳定的蛋白结构，它们可能具有很多生物工程和合成生物学应用。当需要到达细胞内部时，它们较小的尺寸可能有利于治疗疾病。

蛋白是由具有特定序列的氨基酸链组成的，天然的蛋白序列被编码在细胞DNA中。这些氨基酸链折叠成三维构象。这种氨基酸链中的氨基酸序列指导它将在何处弯曲和扭转，以及它的不同部分如何相互作用，从而将这种结构保持在一起。

几年来，科学家们通过研究天然蛋白的结构，研究了这些相互作用。然而，天然蛋白结构通常是较大的和复杂的，具有上千种让蛋白形成它的折叠形状的相互作用。测量每种相互作用的贡献变得非常困难。

这些研究人员利用计算方法设计他们自己的更加简单的蛋白，从而解决了这个问题。这些更加简单的蛋白使得分析让所有蛋白保持它们的折叠结构的不同类型的相互作用更加容易。

Rocklin说，“然而，即便简单的蛋白也是比较复杂的，因此研究上千种简单的蛋白来了解它们为何折叠是比较重要的。在此之前，鉴于DNA的成本，这是不可能实现的。每种设计蛋白需要它自己的定制的DNA片段，这样它才能够在细胞内表达出来。这就使得之前的研究仅能够测试几十种设计蛋白。”

在这项研究中，为了编码更短的设计蛋白，这些研究人员采用了DNA寡核苷酸文库合成技术（DNA oligo library synthesis technology）。这种技术最初是为其他的实验室操作开发的，如较大的基因组装。给他们提供DNA的公司之一是CustomArray公司。他们也使用了安捷伦公司（Agilent）和Twist生物科学公司（Twist Bioscience）制造的DNA文库。

通过多次重复这种计算和实验测试循环，这些研究人员从他们的设计失败中吸取教训，逐渐地改进他们构建的模型。他们的设计成功率从6%上升到47%。他们也构建出以在他们初次设计蛋白时都失败的形状保持稳定的蛋白。

他们设计出的大量稳定的微型蛋白和不稳定的微型蛋白使得他们能够定量地分析哪些蛋白特征与折叠相关联。他们也将他们的设计蛋白的稳定性与同样大小的天然蛋白的稳定性进行比较。

这些研究人员鉴定出的最为稳定的天然蛋白是一种得到大量研究的来自嗜热脂肪芽孢杆菌（Bacillus stearothermophilus）的蛋白。这种有机体生活在较高的温度（如在温泉和海洋热排气口等）下。在如此高的温度条件下，大多数蛋白丧失了它们的折叠结构。在这种条件下茁壮成长的有机体已进化出高度稳定的即便在炎热条件下也保持折叠状态的蛋白。

这些研究人员注意到，“总共774种设计蛋白具有比这种最为抵抗蛋白酶的单体蛋白更高的稳定性数值。”蛋白酶是降解蛋白的酶，是这些研究人员用来测量他们的上千种蛋白稳定性的必需工具。

这些研究人员预测，随着DNA合成技术继续改善，高通量设计更大的更加复杂的蛋白结构将有可能实现。