首次实现跨膜β桶的从头设计

跨膜蛋白具有丰富且关键的生物学作用，但是人工从头设计的难度非常大。2021年2月19日Science报道，美国华盛顿大学David Baker团队描述了8层跨膜β桶膜蛋白（TMB）的计算设计方案，使用迭代方法实现了23个候选设计。该研究加深了对TMB折叠和结构特性的理解，为设计定制化纳米孔结构提供基础，有望为单分子传感和测序提供重要工具。

研究者通过一系列设计-构建-测试周期，提取TMB折叠的关键原理。与其他类别蛋白质不同，局部不稳定序列对于TMB的表达和折叠至关重要，并且折叠过程中通过双层转移的β-turns必须不稳定以确保在膜中正确组装。β发夹的过早形成可能会导致脱靶的β折叠结构与适当的膜插入和折叠竞争，因此TMB的β发夹必须设计为仅在膜插入之前短暂形成。在脂质双层的疏水环境中，完整的TMB可以组装，因为面向膜的非极性残基反而与脂质发生了良好的相互作用。当TMB组装时，β发夹通过与相邻β链的相互作用而稳定。

研究者设计了可成功折叠并组装成去污剂胶束和脂质双层的TMB序列。其中两个设计具有很高的稳定性，与大肠杆菌tOmpA的跨膜结构域相比，可以更快，可逆地折叠成脂质体。两种不同设计的核磁共振溶液结构和高分辨率晶体结构与设计模型紧密匹配，这表明此处开发的TMB设计方法可以生成原子级精度的新结构。

该研究阐明了跨膜β桶从头设计的关键原则，涉及对β桶结构和β发夹设计的限制，以及局部和全局序列特征。研究为从下至上阐明TMB折叠以及与细胞外膜折叠和插入机制相互作用的分子机制提供起点，TMB精度设计为定制针对诸如单分子传感和测序等应用量身定制的纳米孔打开了大门。

吴晓燕 编译自https://phys.org/news/2021-02-pore-like-proteins.html

原文链接：https://science.sciencemag.org/content/371/6531/eabc8182.full

原文标题：De novo design of transmembrane β barrels