上海
题图 | 卢培龙
撰文 | 王多鱼
跨膜蛋白在生物膜的物质、能量和信息交换中发挥着关键作用。此前，诺奖得主David Baker及西湖大学卢培龙等已在跨膜蛋白的从头设计方面取得了重要突破，但设计能够高亲和力、高特异性结合小分子的跨膜蛋白，仍是一个巨大挑战，也是合成生物学与结构生物学交叉领域亟待突破的技术瓶颈。
2025年2月19日，西湖大学卢培龙团队在国际顶尖学术期刊Nature上发表了一篇题为：De novo design of transmembrane fluorescence-activating proteins 的研究论文。
研究通过结合深度学习和基于能量的方法，成功设计出了能够特异性结合荧光配体的跨膜荧光激活蛋白（tmFAP），首次实现了跨膜蛋白与配体分子在膜内的非共价相互作用的精确从头设计，并展示了其在活细胞中的荧光激活能力。
图：参考文献
卢培龙，2009 年本科毕业于中国科学技术大学生命学院；2014 年博士毕业于清华大学生命学院，师从施一公教授；之后在华盛顿大学进行博士后研究，师从蛋白质设计先驱David Baker教授；2019 年加入西湖大学生命科学学院，组建蛋白质设计/合成生物学实验室。
在这项最新研究中，研究团队使用 Rosetta 软件进行序列设计和优化，结合 AlphaFold2 进行结构预测和验证。首先设计了一个稳定的四螺旋束结构的水溶性荧光激活蛋白（wFAP），该蛋白具有一个中央口袋，能够结合并激活荧光配体（HBC599），其中 wFAP1.1 和 wFAP1.2 变体表现出较高的荧光激活能力和结合亲和力，与 HBC599 的亲和力达到纳摩尔级别，使其荧光亮度激活超过 1600 倍，结合态的亮度和量子产率均优于常用的增强型绿色荧光蛋白（EGFP）。
在 wFAP 的基础上，研究团队通过重新设计表面氨基酸残基，将其转化为跨膜蛋白，同时尽量减少对配体结合口袋结构的扰动。使用 ColabDesign 框架进行跨膜序列的生成，结合AlphaFold2 进行结构预测和优化，从而设计出了跨膜荧光激活蛋白（tmFAP）。其中，tmFAP1.2 变体表现出最高的结合亲和力和量子产率。冷冻电镜结构验证显示，这些蛋白的结构与设计模型高度一致。
跨膜荧光激活蛋白冷冻电镜结构与设计模型高度一致（图：参考文献）
研究团队还在活细菌和真核细胞中表达了这些设计的 tmFAP 蛋白，结果显示，这些蛋白在细胞中表达后会自发定位到细胞膜组分中，并能够特异性激活荧光配体（HBC599）的荧光，且在膜环境中表现出较高的亮度和量子产率。
跨膜荧光激活蛋白设计与表征（图：参考文献）
总之，研究成功从头设计出了能够特异性结合小分子配体的跨膜蛋白，这些设计蛋白在活细胞中表现出高活性和特异性，该研究为跨膜蛋白的从头设计提供了新的思路和方法，未来可以进一步探索这些设计蛋白在生物医学和生物工程中的应用，例如开发新的生物传感器、药物递送系统和膜运输工具等。
参考文献：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08598-8
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