挑战自然！从头设计蛋白质有何看头？

奇物论

2021-12-08

天然金属蛋白具有许多功能——从传感到电子转移和催化——其中每个配体和金属的位置和性质由蛋白质结构决定。从头设计的蛋白质旨在定义编码特定结构和功能的氨基酸序列，为（金属）蛋白质的假设内部运作提供关键测试。

迄今为止，从头设计的金属蛋白已经使用简单的、对称的三级结构——不受天然蛋白质的大尺寸和进化标记的影响——来质疑结构-功能假说。

近日，美国加州大学旧金山分校William F. DeGrado等人在Nature Reviews Chemistry上讨论了从头设计的应用，例如诱导复杂的、逐渐不对称的配体几何结构以实现功能的蛋白质，以及使用更规范的配体几何结构来实现稳定性。

从头设计已被用于探索蛋白质如何微调氧化还原电位并催化氧化和水解反应。随着对结构-功能关系的进一步了解，功能蛋白包括O₂依赖性氧化酶、快速水解酶和多质子/多电子还原酶已经被创造出来。

此外，现在可以利用异种生物金属或辅因子以及无机化学原理来设计蛋白质，以获得新的自然功能。这些结果和计算蛋白质设计方面的进展为多种功能性金属蛋白质的从头设计提供了光明的前景。

示意图

后期仍需关注的点：

1）金属蛋白设计者必须首先考虑所需的功能，然后选择合适的活性位点来实现它以及支持它的三级结构。

2）设计的约束条件可以从无机化学文献或生物信息学方法中得出。

3）蛋白质三级结构和金属活性位点的局部对称性必须有一个统一的元素。

4）设计必须平衡蛋白质折叠的能量与金属-配体结合，以实现所需的配位几何。

5）不对称的引入是将功能引入金属蛋白的关键策略，必须通过在设计的其他地方引入稳定元素来补偿。

6）盘绕线圈之外的设计空间仍然很少被研究，并为更多样化的活动位点和功能提供了机会。

图|用于金属蛋白设计的三肽支架

 图|结构清晰的卟啉结合蛋白的设计策略

 图|含β-折叠的设计金属蛋白

综上，该综述描述了作者通过制定和执行一套化学和工程原理，在实现金属蛋白的积极、实用的知识方面取得的进展程度。随着我们逐渐了解金属蛋白，我们从头开始设计它们变得越来越成功——而不是通过修改天然蛋白质。

设计的蛋白质测试我们对金属蛋白功能的假设理解，并最终可以作为设计有用催化剂的起点。在本文综述部分中，作者专注于简单的参数蛋白质骨架来说明金属蛋白设计的原理。尽管如此，通过从关于金属、第一/第二壳配体的几何形状和溶剂/底物可及性的假设开始，金属蛋白可以拥有所需的功能。鉴于蛋白质的非凡多功能性及其创建无数配体几何结构、动力学和辅助结合位点的能力，该综述只是触及了可能的表面。当然，新一代蛋白质设计者和无机化学家还有很多工作要做。

计算、基因合成、结构生物学和进化方面的进步极大地提高了我们从头设计蛋白质的能力。金属蛋白的多种重要功能仍然是我们理解蛋白质基本结构-功能原理的重要衡量标准。作者预计，进一步的进步将使功能性金属蛋白的从头设计越来越常规化，在包括绿色催化、传感和治疗在内的各个领域开辟有吸引力的可能性。

参考文献：

Chalkley, M.J., Mann,S.I. & DeGrado, W.F. De novo metalloprotein design. Nat Rev Chem (2021).

https://doi.org/10.1038/s41570-021-00339-5