Science | 蛋白质设计的动态革命:利用逆折叠模型解锁构象开关

Science | 蛋白质设计的动态革命:利用逆折叠模型解锁构象开关

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绝大多数天然蛋白质并非静态雕塑,而是通过在两种或多种构象状态之间切换来执行功能(如G蛋白信号传导、酶的活性开关等)。然而,传统的计算蛋白质设计方法通常局限于优化单一的静态结构,忽略了这种动态特性。为了填补这一空白,本文提出了一种名为“构象偏置”(Conformational Biasing, CB)的高效计算工作流。该方法利用逆折叠模型(如ProteinMPNN)的对比评分机制,能够快速预测出稳定特定构象状态的突变。研究假设,通过通过识别并引入能够改变构象种群平衡的突变,可以在不直接改变活性位点的情况下,精确地开启或关闭蛋白质功能,甚至改变其底物特异性。本文通过多个数据集验证了该方法的有效性,并深入展示了如何利用CB方法成功改造硫辛酸连接酶(LplA),使其产生具有高度差异化功能的变体,为蛋白质动态工程学提供了通用的工具。


结果 1:构象偏置(CB)工作流的开发

研究团队开发了CB工作流,旨在快速且可扩展地预测能够使蛋白质偏向特定构象的突变。该方法将感兴趣蛋白质的每一个可能的点突变与两个(或更多)替代骨架结构配对。利用逆折叠模型(IFM)以序列和结构为条件对每个配对进行评分。核心策略是寻找在不同骨架结构间评分差异最大的突变:即在一种构象中得分高而在另一种构象中得分低的突变,被预测为能够使平衡向得分高的构象偏移(Fig. 1)。这种方法不需要额外的微调或复杂的训练目标,且计算效率极高。