诺奖得主最新Science：利用AI从头设计蛋白，实现无需去垢剂的膜蛋白提取

题图 | Pixabay

撰文 | 生物世界

膜蛋白嵌入在细胞膜中，位于细胞内外的交界处，作为第一响应者，感知信号，调控分子进出细胞，并使细胞能够快速适应环境的变化。然而，膜蛋白位于细胞的脂质膜中，其表面具有疏水性，会排斥水分子，这迫使科学家必须使用去垢剂来提取膜蛋白——这一过程通常繁琐且需多步操作，需要大量优化，导致膜蛋白难以提取、纯化和结构解析，从而阻碍了针对膜蛋白的治疗药物和疫苗的研发。

2026 年 7 月 2 日，蛋白质设计先驱、2024 年诺奖得主David Baker教授在Science期刊发表了题为：Membrane protein solubilization and structure determination using de novo–designed proteins 的研究论文。

该研究开发了基于 AI 的从头设计蛋白质方法——WRAP（Water-soluble RFdiffused Amphipathic Protein），这就像给膜蛋白定制一个“蛋白外套”，包裹在膜蛋白的疏水表面，使其无需去垢剂即可具备热稳定性和水溶性。

研究团队针对单体和寡聚 β-桶状外膜蛋白以及螺旋多次跨膜蛋白分别设计了 WRAP，并进一步证明了这些 WRAP 包裹的膜蛋白能够正确折叠，并适用于结构测定、生化实验以及体外应用。例如，通过该方法获得了分枝杆菌孔蛋白 MspA 八聚体的 2.95 Å 分辨率冷冻电镜结构（这也是首个使用非去垢剂方法得到的膜蛋白高分辨率结构）；以及通过该方法成功制备了梅毒螺旋体抗原的可溶版本，为梅毒疫苗研发奠定了基础。

David Baker教授表示，膜蛋白极其重要，但众所周知其难以处理。WRAP为我们提供了一种在水中保持其完整性的方法，这为膜蛋白研究及其治疗应用开辟了许多新的可能性。

图源：参考文献

膜蛋白在信号传导、感染和药物反应中发挥着核心作用，但由于其疏水表面在膜外不稳定，这类蛋白仍是难以生产和研究的蛋白质之一。由于这些蛋白嵌入脂质膜中，其提取依赖于去垢剂，这一过程繁琐且需多步操作，需要大量优化，常常会损害蛋白稳定性，并使后续分析更加复杂。以往用于绕过脂双层来溶解膜蛋白的策略包括突变暴露于脂质的氨基酸残基，或将膜蛋白结构域嫁接到可溶性支架上。将膜蛋白与两亲性蛋白载脂蛋白 AI（Apo-AI）以及可溶性诱饵蛋白融合，成功实现了溶解，但目前尚未通过该方法获得结构信息。

在这项最新研究中，研究团队通过设计WRAP（Water-soluble RFdiffused Amphipathic Protein，Wrap正好是包裹的意思）方法，提出了解决上述长期难题的通用方案。WRAP 可包裹膜蛋白并屏蔽其疏水区域，使其在无需去垢剂的情况下仍能保持可溶性和稳定性，并可在水中结合配体。

我们可以把 WRAP 理解为专门给膜蛋白定制“蛋白外套”，其内侧是疏水的，刚好匹配膜蛋白跨膜区的疏水表面，两者能通过疏水相互作用紧密贴合；其外侧则是亲水的，暴露在水溶液环境中，能够在水里稳定存在。其整个设计流程就像一场精密的分子拼图——先用 RFdiffusion 从头生成理想化的螺旋或 β 桶状骨架，尺寸刚好匹配目标膜蛋白的跨膜区大小；把目标膜蛋白放到骨架中心，再微调骨架形状，让它和目标蛋白的表面完美互补；用专门优化过的 SolubleMPNN 设计骨架的氨基酸序列，确保它自己能正确折叠，还能和目标蛋白稳定结合；最后用 AlphaFold2 预测结构，筛选出折叠置信度高、相互作用界面质量好的设计，进行实验验证。

WRAP 的从头设计流程（图源：参考文献）

最关键的是，WRAP 是通过基因融合的方式直接连在膜蛋白上的，并直接在大肠杆菌细胞质中表达，从而简化了膜蛋白的纯化过程，解决了基于去垢剂方法的高成本和复杂性。此外，该方法不需要对膜蛋白本身的天然氨基酸序列做任何修改——这保留了膜蛋白原本的结构和功能，避免了传统改造方法可能带来的活性丧失。

使用 WRAP 方法，研究团队制备了多种膜蛋白的可溶版本，包括单体及寡聚体的 β-桶状外膜蛋白以及螺旋多次跨膜蛋白，验证了 WRAP 的通用性——

1、细菌外膜 β 桶蛋白，研究团队首先测试了大肠杆菌的经典外膜蛋白 OmpA，过去它需要去垢剂提纯，还要复性才能用。而 WRAP 包裹的 OmpA，直接在大肠杆菌细胞质的可溶组分里就能纯化出来。冷冻电镜结构显示，WRAP 并没有改变 OmpA 的天然结构，它还能正常结合天然配体几丁二糖，抗体识别表位也完全保留。

2、梅毒病原体抗原，梅毒螺旋体（Treponema pallidum）的外膜蛋白是重要的疫苗候选靶点，但它们几乎没法在大肠杆菌里表达，也没有一个实验解析的结构。研究团队直接用 AlphaFold2 预测的结果设计 WRAP，成功获得了 4 种梅毒抗原的可溶版本。用感染梅毒的兔子血清做实验，这些 WRAP 包裹的抗原能特异性识别免疫反应产生的抗体——这意味着未来可以用它们来筛选单克隆抗体、开发亚单位疫苗，不用再受限于难表达的天然蛋白。

3、螺旋多次跨膜蛋白，接下来是更难搞的螺旋型多次跨膜蛋白，这类蛋白占了药物靶点的绝大多数。GlpG 蛋白酶，是一种嵌在内膜里的“菱形蛋白酶”，过去用去垢剂提纯后，77℃ 就会变性，而 WRAP 包裹的 GlpG 能耐受 95℃ 高温，还能正常催化底物切割，活性位点的结构完全保留。CXCR4 受体，是一种人类 G 蛋白偶联受体（GPCR），癌症药物的重要靶点，全长 CXCR4 很难通过 WRAP 直接可溶，研究团队设计了一个截短版“迷你 CXCR4”，只保留配体结合口袋相关的跨膜区，用 WRAP 包裹后，它不仅热稳定性大幅提升，还能高亲和力结合天然配体 CXCL12 和小分子拮抗剂，完美适配药物筛选的需求。

4、寡聚膜蛋白，为了证明 WRAP 能支持结构解析，研究团队选择了分枝杆菌孔蛋白 MspA 的八聚体跨膜区作为目标。这个蛋白是纳米孔测序的核心元件，过去的结构解析全靠去垢剂。这次研究团队使用 WRAP 包裹后，得到了 2.95 Å 分辨率的冷冻电镜结构，和设计模型的偏差只有 0.5-0.7 Å，几乎和天然结构完全一致。这也是首个用非去垢剂方法得到的膜蛋白高分辨率结构，直接证明了 WRAP 不会干扰膜蛋白的天然构象。

总的来说，与以往的方法不同，WRAP 能够在不损害结构和功能特征的前提下，获得膜蛋白。WRAP 具有广泛的应用前景，包括促进生化表征、结构测定、药物发现，以及开发保留抗原表位的可溶性蛋白用于疫苗设计。研究团队表示，预计基于 AI 的蛋白质设计技术的进步将降低计算成本，提高可溶性预测的准确性，并减少需要测试的设计数量。

从 2020 年 AlphaFold2 破解蛋白质结构预测难题，到 2023 年 RFdiffusion 实现 AI 从头设计蛋白，再到今天 WRAP 解决膜蛋白的溶解难题，AI 正在一步步打破传统分子生物学的边界。这项研究不仅给膜蛋白研究提供了一件趁手“工具”，更让我们看到了一个可能性——未来，我们可以像搭积木一样，用 AI 设计各种功能蛋白，解决生物医药领域的诸多难题。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr3817

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