光响应性蛋白质在生命的所有领域中都发挥着至关重要的作用，它们能够感知并响应环境中的光信号。然而，从头设计（de novo design）具有精确结构和可逆响应行为的光响应性蛋白质，一直是一项未解决的挑战。
该研究开发了一套可适用于非天然氨基酸的蛋白质对接程序，通过整合光响应非天然氨基酸 AzoF 与蛋白质密码子扩展技术，从头设计出了一系列可逆的光响应性蛋白质。
2024 年，蛋白质设计领域迎来高光时刻——蛋白质设计先驱 David Baker 教授获得诺贝尔化学奖。随着人工智能（AI）技术的加持，蛋白质设计领域的发展可谓突飞猛进。
尽管该领域近年来取得了许多实质性进展，但仍面临一个重大挑战：编程设计全新的蛋白质，使它们能够响应环境刺激信号并在不同结构状态之间切换。这种响应性转换对于精确控制它们的结构和功能至关重要。在包括 pH、离子、小分子等众多响应机制中，光响应性是十分特别的一种，其显著特征是瞬时性，非侵入性和可逆调控性。其能够在不改变原有体系组成的情况下，完成对生物学过程的精准调控。
已经有大量研究通过改造天然光蛋白质应用于控制生物学过程，但天然光响应蛋白质有其自身局限性，例如，天然光响应蛋白质一般需要持续光照、逆向过程所需时间长、光响应作用单一、蛋白折叠较为复杂、分子量较大、光响应波长固定、热稳定性有限等。站在工程化的角度，这些天然蛋白质所包含的光感应机制复杂，对其光感应谱和动力学的改造和精确控制较为困难。同时，天然蛋白质复杂的折叠以及较大的分子量使其难以在异源系统中大量表达及应用。因此，改造和应用天然光响应蛋白质具有一定的局限性。
此外，以前的蛋白质设计策略主要依赖于组成蛋白质的标准的 20 种氨基酸作为主要构建单元，这些氨基酸通常对光照不敏感。因此，从头设计全新的光响应蛋白质需要光敏感的色素基团，同时需要考虑发色团激发与蛋白质构象转换之间的微妙相互作用。编码这样的光响应蛋白质开关非常复杂，是蛋白质头设计的重大挑战。因为，必须找到一种氨基酸序列，不仅能够与所需的发色团结合，还能够在发色团光异构化（由光触发）时发生所需的结构变化。
为此，曹龙兴课题组开发了一整套结合 AI 深度学习、可适用于非天然氨基酸的蛋白质设计方法。通过结合密码子扩展技术，将光响应性非天然氨基酸 AzoF（苯丙氨酸-4′-偶氮苯）精准设计于蛋白质相互作用界面上，实现了对不同对称性特征光响应蛋白质复合体的精确设计。通过实验筛选和验证，得到了结构和序列多样的蛋白复合物，包括一系列的光响应蛋白质同源多聚体和异源二聚体。
这些光响应蛋白具有极其优异的光响应特性，能够在不同光照条件下在复合物状态与单体态之间迅速切换。其中异源二聚体 LRD-7 在响应光的亲和力变化程度达到 167 倍。光响应蛋白质单体由 65 个氨基酸构成，分子量小，可以作为光控标签将靶蛋白工程化。除此之外，这些从头设计的蛋白还具有极强的热稳定性和高表达量，95°C 加热恢复后依旧保持原有二级结构，未经优化下的产量可达 40 mg/L。
图1. 光响应性同源多聚体（LRO）及异源二聚体（LRD）光响应机制示意图
该研究还进一步应用设计出的同源寡聚光响应蛋白制备光响应性蛋白水凝胶，这种全部由重组表达蛋白构成的水凝胶具备优良的固态-液态转化特性（视频1）。除此之外，研究中还应用光响应异源二聚体控制受体传递的基因表达信号（图2）。
通过一套整合基于物理能量的蛋白质对接与 AI 深度学习的计算蛋白设计方法，该研究首次从头设计出众多结构丰富多样的光响应性蛋白质，并从生物材料和细胞信号通路方向验证了其广泛的应用潜力。这项研究的意义不仅在于得到一系列的从头设计的光响应蛋白质，更重要的是为光调控的蛋白-蛋白相互作用的从头设计提供了新的方法和思路，为进一步从头设计光响应靶标结合蛋白，光响应分子机器打下坚实基础。
西湖大学访问教师于博文（现山东第二医科大学教师）为论文第一作者，西湖大学曹龙兴研究员为论文通讯作者。其中，西湖大学解明岐课题组及申怀宗课题组为该研究提供了部分支持。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、西湖实验室、西湖大学生命科学学院等项目资助。
原标题：《Nature Chemistry：西湖大学曹龙兴团队实现可逆光响应蛋白的从头设计》
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