Science：高通量分析上千種微型蛋白，有望引發(fā)蛋白工程變革

來(lái)源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2017-07-17 09:16:00【大中小】

DNA合成技術(shù)取得的進(jìn)展與利用計(jì)算方法設(shè)計(jì)新的蛋白獲得的改進(jìn)相結(jié)合為進(jìn)入數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的蛋白分子工程的新時(shí)代做好準(zhǔn)備。

在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自美國(guó)華盛頓大學(xué)和加拿大多倫多大學(xué)的研究人員報(bào)道了一種新的高通量方法使得對(duì)計(jì)算設(shè)計(jì)蛋白（computationally designed protein，即利用計(jì)算方法設(shè)計(jì)蛋白）的折疊穩(wěn)定性進(jìn)行最大規(guī)模的測(cè)試成為可能。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2017年7月14日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Global analysis of protein folding using massively parallel design, synthesis, and testing”。論文通信作者為華盛頓大學(xué)生物化學(xué)教授David Baker，論文第一作者為華盛頓大學(xué)生物化學(xué)博士后研究員Gabriel Rocklin。

高通量分析微型蛋白
圖片來(lái)自UW Medicine Institute for Protein Design。

科學(xué)家們想要構(gòu)建出新的在自然中不能發(fā)現(xiàn)的蛋白分子，這些分子能夠在阻止或治療疾病、在工業(yè)應(yīng)用、在能量產(chǎn)生和在環(huán)境清理中發(fā)揮功能。

Rocklin說(shuō)，“然而，當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)試時(shí)，計(jì)算設(shè)計(jì)蛋白經(jīng)常不能夠形成在設(shè)計(jì)它們時(shí)想要它們具有的折疊結(jié)構(gòu)。”

在這項(xiàng)最新的研究中，這些研究人員測(cè)試了15000多種新設(shè)計(jì)的在自然中不存在的微型蛋白（mini-protein）以便觀察它們是否形成折疊結(jié)構(gòu)。過(guò)去幾年的主要蛋白設(shè)計(jì)研究總共探究了僅50～100種設(shè)計(jì)蛋白。

最近的測(cè)試方法已導(dǎo)致人們?cè)O(shè)計(jì)出2788種穩(wěn)定的蛋白結(jié)構(gòu)，它們可能具有很多生物工程和合成生物學(xué)應(yīng)用。當(dāng)需要到達(dá)細(xì)胞內(nèi)部時(shí)，它們較小的尺寸可能有利于治療疾病。

蛋白是由具有特定序列的氨基酸鏈組成的，天然的蛋白序列被編碼在細(xì)胞DNA中。這些氨基酸鏈折疊成三維構(gòu)象。這種氨基酸鏈中的氨基酸序列指導(dǎo)它將在何處彎曲和扭轉(zhuǎn)，以及它的不同部分如何相互作用，從而將這種結(jié)構(gòu)保持在一起。

幾年來(lái)，科學(xué)家們通過(guò)研究天然蛋白的結(jié)構(gòu)，研究了這些相互作用。然而，天然蛋白結(jié)構(gòu)通常是較大的和復(fù)雜的，具有上千種讓蛋白形成它的折疊形狀的相互作用。測(cè)量每種相互作用的貢獻(xiàn)變得非常困難。

這些研究人員利用計(jì)算方法設(shè)計(jì)他們自己的更加簡(jiǎn)單的蛋白，從而解決了這個(gè)問(wèn)題。這些更加簡(jiǎn)單的蛋白使得分析讓所有蛋白保持它們的折疊結(jié)構(gòu)的不同類型的相互作用更加容易。

Rocklin說(shuō)，“然而，即便簡(jiǎn)單的蛋白也是比較復(fù)雜的，因此研究上千種簡(jiǎn)單的蛋白來(lái)了解它們?yōu)楹握郫B是比較重要的。在此之前，鑒于DNA的成本，這是不可能實(shí)現(xiàn)的。每種設(shè)計(jì)蛋白需要它自己的定制的DNA片段，這樣它才能夠在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)出來(lái)。這就使得之前的研究?jī)H能夠測(cè)試幾十種設(shè)計(jì)蛋白。”

在這項(xiàng)研究中，為了編碼更短的設(shè)計(jì)蛋白，這些研究人員采用了DNA寡核苷酸文庫(kù)合成技術(shù)（DNA oligo library synthesis technology）。這種技術(shù)最初是為其他的實(shí)驗(yàn)室操作開(kāi)發(fā)的，如較大的基因組裝。給他們提供DNA的公司之一是CustomArray公司。他們也使用了安捷倫公司（Agilent）和Twist生物科學(xué)公司（Twist Bioscience）制造的DNA文庫(kù)。

通過(guò)多次重復(fù)這種計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試循環(huán)，這些研究人員從他們的設(shè)計(jì)失敗中吸取教訓(xùn)，逐漸地改進(jìn)他們構(gòu)建的模型。他們的設(shè)計(jì)成功率從6%上升到47%。他們也構(gòu)建出以在他們初次設(shè)計(jì)蛋白時(shí)都失敗的形狀保持穩(wěn)定的蛋白。

他們?cè)O(shè)計(jì)出的大量穩(wěn)定的微型蛋白和不穩(wěn)定的微型蛋白使得他們能夠定量地分析哪些蛋白特征與折疊相關(guān)聯(lián)。他們也將他們的設(shè)計(jì)蛋白的穩(wěn)定性與同樣大小的天然蛋白的穩(wěn)定性進(jìn)行比較。

這些研究人員鑒定出的最為穩(wěn)定的天然蛋白是一種得到大量研究的來(lái)自嗜熱脂肪芽孢桿菌（Bacillus stearothermophilus）的蛋白。這種有機(jī)體生活在較高的溫度（如在溫泉和海洋熱排氣口等）下。在如此高的溫度條件下，大多數(shù)蛋白喪失了它們的折疊結(jié)構(gòu)。在這種條件下茁壯成長(zhǎng)的有機(jī)體已進(jìn)化出高度穩(wěn)定的即便在炎熱條件下也保持折疊狀態(tài)的蛋白。

這些研究人員注意到，“總共774種設(shè)計(jì)蛋白具有比這種最為抵抗蛋白酶的單體蛋白更高的穩(wěn)定性數(shù)值。”蛋白酶是降解蛋白的酶，是這些研究人員用來(lái)測(cè)量他們的上千種蛋白穩(wěn)定性的必需工具。

這些研究人員預(yù)測(cè)，隨著DNA合成技術(shù)繼續(xù)改善，高通量設(shè)計(jì)更大的更加復(fù)雜的蛋白結(jié)構(gòu)將有可能實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

1. Gabriel J. Rocklin, Tamuka M. Chidyausiku, Inna Goreshnik et al. Global analysis of protein folding using massively parallel design, synthesis, and testing. Science, 14 Jul 2017, 357(6347):168-175, doi:10.1126/science.aan0693

2. Derek N. Woolfson, Emily G. Baker, Gail J. Bartlett. How do miniproteins fold? Science, 14 Jul 2017, 357(6347):133-134, doi:10.1126/science.aan6864

3. Feedback from thousands of designs could transform protein engineering