撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

華盛頓大學(xué)的David Baker教授因在蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，獲得了 2024 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。近年來，他的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種基于擴(kuò)散的 AI 蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)模型——RFdiffusion，能夠從頭設(shè)計(jì)生成全新蛋白質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用，包括設(shè)計(jì)抗體、以及靶向不可成藥蛋白的蛋白結(jié)合劑。

一直以來，蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域一直側(cè)重于蛋白質(zhì)的穩(wěn)定狀態(tài)和結(jié)合相互作用。如果我們能夠設(shè)計(jì)蛋白-蛋白相互作用動(dòng)力學(xué)，即蛋白-蛋白相互作用發(fā)生的速度，而不僅僅是熱力學(xué)或相互作用的穩(wěn)定性，我們就能像使用遙控器一樣隨時(shí)打開或關(guān)閉蛋白-蛋白相互作用，從而實(shí)現(xiàn)對體內(nèi)蛋白-蛋白相互作用的精準(zhǔn)控制，那么，癌癥治療、免疫調(diào)控、疾病檢測、細(xì)胞計(jì)算等領(lǐng)域?qū)⒂瓉砀锩愿淖儭?/p>

2025 年 9 月 24 日，David Baker團(tuán)隊(duì)在Nature期刊發(fā)表了題為：Design of facilitated dissociation enables timing of cytokine signalling 的研究論文。

該研究成功開發(fā)出一種能夠精確控制蛋白-蛋白相互作用時(shí)間動(dòng)態(tài)的全新設(shè)計(jì)方法。這項(xiàng)技術(shù)不僅讓我們能夠“遙控”蛋白質(zhì)之間的結(jié)合與解離，還首次實(shí)現(xiàn)了對細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的秒級精確調(diào)控。

這項(xiàng)研究為開發(fā)更安全的藥物提供了有力工具，能夠抑制藥物有害的副作用，只在有需要時(shí)激活，還能用于開發(fā)靈敏的生物傳感器，用于病毒檢測等領(lǐng)域。

從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)

傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)，主要關(guān)注于設(shè)計(jì)出穩(wěn)定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，確保它們處于能量最低的“基態(tài)”。這就好比設(shè)計(jì)師只設(shè)計(jì)靜止的汽車，而不考慮它跑起來的狀態(tài)。

而這項(xiàng)新研究突破性地將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了“激發(fā)態(tài)”的設(shè)計(jì)——這些高能量狀態(tài)雖然存在時(shí)間短暫，卻決定了蛋白-蛋白相互作用的動(dòng)力學(xué)特性。研究團(tuán)隊(duì)巧妙利用誘導(dǎo)契合動(dòng)力沖程（induced-fit power stroke），構(gòu)建出結(jié)構(gòu)挫敗的激發(fā)態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)復(fù)合物的快速解離。

通過促進(jìn)解離來重新構(gòu)象的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)策略

如何實(shí)現(xiàn)分子級的精密控制？

研究團(tuán)隊(duì)的核心創(chuàng)新在于設(shè)計(jì)了一種特殊的“鉸鏈蛋白”，它能夠在外界信號分子（效應(yīng)物）的作用下發(fā)生構(gòu)象變化。當(dāng)沒有效應(yīng)物時(shí)，目標(biāo)蛋白質(zhì)可以正常結(jié)合；一旦加入效應(yīng)物，鉸鏈蛋白就會改變形狀，與目標(biāo)蛋白質(zhì)產(chǎn)生沖突，迫使兩者快速解離。

最巧妙的是，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，使用柔性肽段作為效應(yīng)物比剛性效應(yīng)物效果更好——因?yàn)槿嵝苑肿涌梢栽诮Y(jié)合過程中發(fā)生折疊，提供額外的能量來推動(dòng)構(gòu)象變化，就像彈簧一樣存儲和釋放能量。

5700 倍的解離速率提升

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種設(shè)計(jì)方法能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá) 5700 倍的解離速率提升。也就是說，原本需要數(shù)小時(shí)才能自然解離的蛋白質(zhì)復(fù)合物，現(xiàn)在可以在幾秒鐘內(nèi)迅速解離。

X射線晶體學(xué)結(jié)構(gòu)分析證實(shí)，設(shè)計(jì)蛋白的實(shí)際結(jié)構(gòu)與理論預(yù)測高度吻合（最大偏差僅1.3?）。雙電子-電子共振光譜和分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)一步表明，三元復(fù)合物中間態(tài)確實(shí)存在設(shè)計(jì)所預(yù)期的應(yīng)變和動(dòng)態(tài)特性。

從概念驗(yàn)證到實(shí)際應(yīng)用

研究團(tuán)隊(duì)展示了這項(xiàng)技術(shù)的多方面應(yīng)用潛力：

快速生物傳感器：利用該技術(shù)開發(fā)的 SARS-CoV-2 傳感器，響應(yīng)時(shí)間僅需 30 秒，比之前基于構(gòu)象選擇機(jī)制的傳感器快 70 倍。

動(dòng)力學(xué)控制電路：類似于 DNA 鏈置換反應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了蛋白質(zhì)水平的“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”，能夠?qū)崿F(xiàn)信號的高效傳遞和放大。

快速關(guān)閉分裂酶：通過促進(jìn)解離機(jī)制，可以快速關(guān)閉高活性的分裂酶系統(tǒng)，為代謝工程提供了新工具。

改寫細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的時(shí)空規(guī)則

最具突破性的應(yīng)用體現(xiàn)在對白細(xì)胞介素-2（IL-2）信號通路的精確控制上。IL-2是免疫系統(tǒng)中的關(guān)鍵細(xì)胞因子，但其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通常持續(xù)數(shù)小時(shí)，難以精確控制。

研究團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)了一種可快速開關(guān)的IL-2 模擬物（ASNeo2），能夠在幾秒鐘內(nèi)從受體上解離。單分子熒光顯微鏡觀察證實(shí)，加入效應(yīng)物后，細(xì)胞表面的受體二聚化被快速完全逆轉(zhuǎn)。

一種可快速開關(guān)的 IL-2 模擬物的特性描述

更令人驚喜的是，通過精確控制 IL-2 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的持續(xù)時(shí)間，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了短暫刺激與持續(xù)刺激的不同生物學(xué)效應(yīng)：

短暫刺激（5分鐘）：足以提供抗凋亡保護(hù)，促進(jìn)細(xì)胞存活，但不足以驅(qū)動(dòng)細(xì)胞增殖；

持續(xù)刺激：激活 mTORC 驅(qū)動(dòng)的代謝變化和細(xì)胞周期進(jìn)程，促進(jìn)細(xì)胞分裂。

RNA 測序分析進(jìn)一步揭示了不同刺激持續(xù)時(shí)間對基因表達(dá)的差異化調(diào)控，為精準(zhǔn)免疫治療提供了新思路。

蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)變

這項(xiàng)研究代表了蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)范式轉(zhuǎn)變——從靜態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)控制。

這種方法的通用性令人印象深刻：只需將設(shè)計(jì)的鉸鏈開關(guān)與任何蛋白質(zhì)結(jié)合劑融合，就能幾乎普遍地動(dòng)態(tài)調(diào)控蛋白-蛋白相互作用。研究團(tuán)隊(duì)首次嘗試就將該技術(shù)成功應(yīng)用于快速開關(guān)的 IL-2 樣信號復(fù)合物。

這項(xiàng)技術(shù)不僅為基礎(chǔ)生物學(xué)研究提供了強(qiáng)大工具，有望幫助科學(xué)家回答許多懸而未決的細(xì)胞生物學(xué)問題，還為治療應(yīng)用開辟了新途徑。例如，通過全身給藥效應(yīng)物和局部給藥可開關(guān)細(xì)胞因子，可以在僅給藥部位引發(fā)強(qiáng)烈的免疫激活（任何逃逸到循環(huán)中的細(xì)胞因子都會被效應(yīng)物失活），從而提高治療效果同時(shí)減少副作用。隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，我們或許很快就能看到更加精準(zhǔn)、可控的生物療法問世，真正實(shí)現(xiàn)“時(shí)空精準(zhǔn)醫(yī)療”。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09549-z