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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉海燕教授、陳泉副教授團(tuán)隊采用數(shù)據(jù)驅(qū)動策略，開辟出一條全新的蛋白質(zhì)從頭設(shè)計路線，相關(guān)成果以“用于蛋白質(zhì)設(shè)計的以主鏈為中心的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能量函數(shù)”為題于北京時間2月10日發(fā)表于Nature。

蛋白質(zhì)是生命的基礎(chǔ)，是生命功能的主要執(zhí)行者，其結(jié)構(gòu)與功能由氨基酸序列所決定。目前，能夠形成穩(wěn)定三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，幾乎全部是天然蛋白質(zhì)，其氨基酸序列是長期自然進(jìn)化形成。在天然蛋白結(jié)構(gòu)功能不能滿足工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用需求時，想要得到特定的功能蛋白，就需要對其結(jié)構(gòu)和序列進(jìn)行設(shè)計。目前，國際上報道的蛋白質(zhì)從頭設(shè)計工作主要使用天然結(jié)構(gòu)片段作為構(gòu)建模塊來拼接產(chǎn)生人工結(jié)構(gòu)。然而，這種方法存在設(shè)計結(jié)果單一、對主鏈結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)過于敏感等不足，限制了設(shè)計主鏈結(jié)構(gòu)的多樣性和可變性。蛋白質(zhì)從頭設(shè)計中最困難的問題，是如何充分地探索蛋白質(zhì)主鏈結(jié)構(gòu)空間，發(fā)現(xiàn)新穎的、“高可設(shè)計性”主鏈結(jié)構(gòu)，對這一問題目前還缺乏系統(tǒng)性的解決方法。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊長期深耕計算結(jié)構(gòu)生物學(xué)方向的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究；施蘊(yùn)渝院士是國內(nèi)這一領(lǐng)域的開拓者；劉海燕教授、陳泉副教授團(tuán)隊十余年來致力于發(fā)展數(shù)據(jù)驅(qū)動的蛋白質(zhì)設(shè)計方法，經(jīng)過長期不懈努力，建立并實驗驗證了給定主鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計氨基酸序列的ABACUS模型，進(jìn)而發(fā)展了能在氨基酸序列待定時從頭設(shè)計全新主鏈結(jié)構(gòu)的SCUBA模型（圖1）。SCUBA采用了一種新的統(tǒng)計學(xué)習(xí)策略，基于核密度估計（或近鄰計數(shù)，NC）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合（NN）方法，從原始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形式的解析能量函數(shù)，能夠高保真地反應(yīng)實際蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中不同結(jié)構(gòu)變量間的高維相關(guān)關(guān)系，在不確定序列的前提下，連續(xù)、廣泛地搜索主鏈結(jié)構(gòu)空間，自動產(chǎn)生“高可設(shè)計性”主鏈。

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圖1.用SCUBA模型進(jìn)行蛋白質(zhì)設(shè)計的原理。(a) SCUBA主鏈能量面上的極小對應(yīng)了蛋白質(zhì)的可設(shè)計主鏈結(jié)構(gòu)，即特定氨基酸序列下的最低自由能結(jié)構(gòu)；(b) SCUBA中用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示的統(tǒng)計能量項；(c)和（d） 用近鄰計數(shù)（NC）-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）方法從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)原始數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)解析能量函數(shù)的方法框架。

理論計算和實驗證明，用SCUBA設(shè)計主鏈結(jié)構(gòu)，能夠突破只能用天然片段來拼接產(chǎn)生新主鏈結(jié)構(gòu)的限制，顯著擴(kuò)展從頭設(shè)計蛋白的結(jié)構(gòu)多樣性，進(jìn)而設(shè)計出不同于已知天然蛋白的新穎結(jié)構(gòu)?！癝CUBA模型+ABACUS模型”構(gòu)成了能夠從頭設(shè)計具有全新結(jié)構(gòu)和序列的人工蛋白完整工具鏈，是RosettaDesign之外目前唯一經(jīng)充分實驗驗證的蛋白質(zhì)從頭設(shè)計方法，并與之互為補(bǔ)充。在論文中，團(tuán)隊報道了9種從頭設(shè)計的蛋白質(zhì)分子的高分辨晶體結(jié)構(gòu)(圖2)，它們的實際結(jié)構(gòu)與設(shè)計模型一致，其中5種蛋白質(zhì)具有天然蛋白質(zhì)中尚未觀察到的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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圖2.從頭設(shè)計蛋白的高分辨晶體結(jié)構(gòu)（天藍(lán)色）與設(shè)計模型（綠色）比較。

Nature雜志的審稿人認(rèn)為，“與現(xiàn)有方法不同，現(xiàn)有方法要么使用參數(shù)方程來描述預(yù)定義螺旋結(jié)構(gòu)的空間，要么基于片段組裝的方法依賴于已知蛋白質(zhì)片段。SCUBA方法原則上允許人們探索任意主鏈結(jié)構(gòu)，然后填充序列，允許人們設(shè)計比自然界中觀察到的更廣泛的蛋白質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)”；“蛋白質(zhì)從頭設(shè)計仍然具有挑戰(zhàn)性，本工作中六種不同蛋白質(zhì)的高分辨率設(shè)計是一項重要成就，表明此方法工作良好”；“本研究中報道的成功設(shè)計數(shù)量之多令人印象深刻，并提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，證明了基礎(chǔ)技術(shù)是魯棒的。所采用的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能量項是新穎的，因為它們刻畫了更傳統(tǒng)的統(tǒng)計方法無法企及的多維特征，該方法具有足夠的新穎性和實用性”。

我校生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部劉海燕教授和陳泉副教授為論文通訊作者。博士生黃斌、許洋、胡秀紅為論文共同第一作者。中國科大團(tuán)隊的工作在蛋白質(zhì)設(shè)計這一前沿科技領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了關(guān)鍵核心技術(shù)的原始創(chuàng)新，為工業(yè)酶、生物材料、生物醫(yī)藥蛋白等功能蛋白的設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。

該研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的資助支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04383-5

（生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、無膜細(xì)胞器與細(xì)胞動力學(xué)教育部重點實驗室、科研部）