本周，頂尖學術期刊《自然》在線發表了一篇重量級研究。在華盛頓大學（University of Washington）蛋白設計研究所David
Baker教授的主導下，曹龍興博士與同事們展示了一種極具創新的蛋白設計策略：可以針對幾乎任何感興趣的靶點蛋白，利用計算機軟件設計出與之緊密結合的蛋白分子作為候選藥物，其應用可廣泛覆蓋從癌症到新冠感染的諸多疾病。
David Baker教授是人工設計蛋白領域的領軍人物，其團隊開發的一款名為Rosetta的程序，能根據蛋白質的氨基酸序列有效預測蛋白質的結構，在此基礎上可以從頭設計各種類型的全新蛋白質。
但有一類蛋白的構建一直是巨大的挑戰，那就是在癌症等重大疾病的治療方法中常用到的“結合蛋白”：它們與疾病相關的靶點蛋白相互作用，改變靶點蛋白的功能。人們熟悉的抗體藥物就屬於這類蛋白，與癌細胞特有的表面蛋白結合，或是與入侵微生物結合，從而發揮抗癌或抗感染的作用。
▲研究論文的通訊作者David Baker教授和共同第一作者曹龍興博士和Brian Coventry博士（圖片來源：參考資料[2]）
不過，抗體作為大分子蛋白質，製造難度和穩定性都給應用帶來一定局限。為了解決這個問題，一種思路是製造小分子的結合蛋白，這些“迷你版抗體”同樣可以結合在靶標蛋白的特定位置，但由於尺寸更小，通常更穩定、更便於生產，只是設計的難度非常高。
研究人員打了一個比方：假如把靶標蛋白質想象成一面攀岩牆，那麼其氨基酸序列經過摺疊形成的褶皺和凸起相當於攀岩支點，為攀爬提供雙手的握點和腳的登點。大分子的抗體可以同時抓住好多支點，穩穩爬到頂點。而小分子的“攀岩者”可選擇的支點就少多了，必須找到最佳的握點和登點，規劃出登頂路線。
曹龍興博士與同事們藉助Rosetta設計的新方法則是這樣的：找出攀岩牆上大大小小每一個握點和登點，讓成千上萬的攀岩者嘗試各種可能的路線，然後新的攀岩者在最有希望的路線上得出最佳路徑。“只需要幾個小時的計算就可以嘗試各種可能的路線。”曹博士說。
2020年爆發新冠疫情后，在Baker教授的主導下，曹龍興博士與同事們利用這種策略設計了可以結合新冠病毒刺突蛋白的小型蛋白。他們在計算機上設計了超過200萬個候選的結合蛋白，最終找到抗病毒活性最強的一種結合蛋白，可以像單克隆抗體一樣阻止新冠病毒感染。
▲學術經緯相關閱讀：“科學突破獎”新得主再迎突破，人造蛋白可抗新冠病毒（圖片來源：參考資料[2]；Crdit：UW Medicine Institute for Protein Design）
小試牛刀之後，研究團隊在此次研究中進一步擴展了範圍，給12種不同的靶標蛋白設計小分子結合蛋白。這些靶標包括參與癌症發生髮展的生長因子、胰島素受體、流感病毒等病原體的表面蛋白等，生物學功能多樣，形狀各異，具有不同表面化學特性。
研究人員針對每種靶標蛋白質的多個結合位點設計了數萬個虛擬的小型結合蛋白進行篩選，並通過進一步修飾增加結合蛋白與靶點的親和力，利用酵母將人工設計的蛋白製造出來。這些小型結合蛋白不超過65個氨基酸，尺寸只有一般單克隆抗體的1/20。而經過測試，最終他們為所有12個靶標蛋白都設計出了親和力與抗體可媲美的小型結合蛋白。
▲與胰島素受體（左）和流感病毒血凝素（右）結合的小型結合蛋白（圖片來源：參考資料[3]；Credit：Ian C Haydon / UW INSTITUTE FOR PROTEIN DESIGN）
“我們可以針對自然界任意蛋白質設計全新結合蛋白。”曹龍興博士說。這一結果不僅驗證了設計方法廣泛的適用性，也顯示出這些小型結合蛋白作為藥物的潛力。
研究論文發表后，《科學》雜誌也專門報道了這一進展，多位沒有參與該研究的專家給予了很高的評價，加州大學舊金山分校的生物工程學家Tanja Kortemme教授認為這一方法“開闢了許多新的可能”。Baker教授則指出，他們還將繼續改進計算方法，以便人工設計的小型結合蛋白更好地滿足疾病治療的需求。