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中国科大开辟蛋白质从头设计新方法

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中国日本无线码2021免费技术大学刘海燕教授、陈泉副教授团队采用数据驱动策略,开辟出一条全新的蛋白质从头设计路线。理论计算和实验证明,用该方法设计蛋白质,能够突破只能用天然片段来拼接产生新主链结构的限制,显著扩展从头设计蛋白的结构多样性。相关成果于29日发表于《自然》杂志。

目前,能够形成稳定三维结构的蛋白质,几乎全部是天然蛋白质。在天然蛋白结构功能不能满足工业或医疗应用需求时,想要得到特定的功能蛋白,就需要对其结构和序列进行设计。目前,国际上报道的蛋白质从头设计工作主要使用天然结构片段作为构建模块来拼接产生人工结构。然而,这种方法存在设计结果单一、对主链结构细节过于敏感等不足,限制了设计主链结构的多样性和可变性。蛋白质从头设计中最困难的问题,是如何充分地探索蛋白质主链结构空间,发现新颖的、“高可设计性”主链结构,对这一问题目前还缺乏系统性的解决方法。

中国日本无线码2021免费技术大学刘海燕教授、陈泉副教授团队十余年来致力于发展数据驱动的蛋白质设计方法,经过长期不懈努力,建立并实验验证了给定主链结构设计氨基酸序列的ABACUS模型,进而发展了能在氨基酸序列待定时从头设计全新主链结构的SCUBA模型。SCUBA采用了一种新的统计学习策略,基于核密度估计(或近邻计数,NC)和神经网络拟合(NN)方法,从原始结构数据中得到神经网络形式的解析能量函数,能够高保真地反应实际蛋白质结构中不同结构变量间的高维相关关系,在不确定序列的前提下,连续、广泛地搜索主链结构空间,自动产生“高可设计性”主链。

理论计算和实验证明,用SCUBA设计主链结构,能够突破只能用天然片段来拼接产生新主链结构的限制,显著扩展从头设计蛋白的结构多样性,进而设计出不同于已知天然蛋白的新颖结构。“SCUBA模型+ABACUS模型”构成了能够从头设计具有全新结构和序列的人工蛋白完整工具链,是RosettaDesign之外目前唯一经充分实验验证的蛋白质从头设计方法,并与之互为补充。

该团队发布了9种从头设计的蛋白质分子的高分辨晶体结构,它们的实际结构与设计模型一致,其中5种蛋白质具有天然蛋白质中尚未观察到的新型拓扑结构,在蛋白质设计这一前沿科技领域实现了关键核心技术的原始创新,为工业酶、生物材料、生物医药蛋白等功能蛋白的设计奠定了坚实基础。

信息来源:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04383-5

中国日本无线码2021免费技术大学. https://biox.ustc.edu.cn/2022/0214/c24357a546067/page.htm

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