先睹为快
现在，像Amgen这样的公司现在都是通过借鉴自然界中已有的蛋白结果来设计蛋白质，但David Baker的IPD（蛋白质设计研究所）开展的从头设计蛋白质实际上是在自己创造新的蛋白质。为此顶级“科学大牛”Baker的IPD与顶级生物科技巨头AMGEN公司开展了独特的合作，用更熟悉的术语来说，生物技术科学家与自然界的LEGO®合作，并且Baker和IPD已经学会了如何制作自己的LEGO®零件。并将这一新范例应用于生物技术研究。这有望在新型高效药物领域有新突破。
David Baker 和他的人工蛋白质
David Baker出生在美国西雅图市，是华盛顿大学生物化学教授也是霍华德·休斯医学研究所的研究员。他非常欣赏大自然的杰作，但在他所擅长的分子领域并只不满足于大自然的馈赠。在他的办公室里一张低矮的咖啡桌上，就放着8个玩具大小的3D打印蛋白质复制品，这不是一般的蛋白质模型，而是在Baker及同事设计的自然界中尚未发现的人功蛋白质。过去几年，随着基因组学和计算机水平的发展，Baker的团队已经解决了现代科学领域一个最大的挑战：解释氨基酸长链如何折叠为让“生命机器”运转的三维蛋白质。现在，他和同事已经通过这种方法设计并合成了非天然的蛋白质，这些蛋白质可以在医药到材料等不同领域发挥作用。这种从头设计蛋白质，一改以往传统的通过借鉴天然蛋白质的结构来设计蛋白质的方式，转而寻求一种新型的设计蛋白质的方式，即不以传统的天然蛋白质为基础，而是根据需要设计具有特殊结构的蛋白，再从功能推到结构。并有望将其应用于生物技术领域，如果说读写DNA引发了分子生物学的一场革命，那么设计新蛋白的本领将会在几乎所有事物身上带来革命。“没有人知道它意味着什么”，因为它有着影响数十个不同学科的潜力，马里兰大学帕克分校蛋白折叠专家John Moult说，“它完全是革命性的。”
图1.David Baker正在展示他所在团队设计制作的人工蛋白模型
图片来源：Rich Frishman
AMGEN与IPD合作
蛋白质在生命活动中扮演重要角色，医学界也正慢慢通过蛋白疗法来治疗疾病，由于组成蛋白的氨基酸序列排列的方式和空间结构很复杂，这种疗法变得越来越困难。David Baker预言，即使是目前最流行的疗法在未来10年内也会落伍， 此时这种从需求出发来设计新型蛋白质的方法就能突显出其优势。“David根本不是从天然蛋白质开始的，他发明了一种蛋白质，”AMGEN高级副总裁Ray Deshaies说。“他决定了他想要的三维结构，并且他使用了他设计的复杂软件来预测氨基酸序列，该序列将折叠以产生所需的靶结构。而且它经常奏效。”Baker预测：“在10到15年内，我相信几乎所有用于技术的蛋白质都将从头设计，以具有所需的特性，而不是适应进化过程中意外发生的特性。” 目前这种方法创造的蛋白质已经被设计为生物传感器，并在癌症免疫疗法和通用流感疫苗上得到了应用。IPD的勇气和迄今取得的显著成就吸引了媒体的兴趣和资金的支持。2019年4月，该研究所从位于TED的The Audacious Project获得了一项为期五年，4500万美元的投资。该赠款旨在加快从头蛋白质设计新的药物。为此，Baker和IPD通过独特的研究合作形式与Amgen找到了共同点。Deshaies说：“我们希望以开放式的方式与IPD合作，以解决设计有效药物时面临的一些最棘手的问题。” “这是一次广泛的合作，将涉及多个项目，我们希望在双方科学家之间建立牢固的工作关系。我们的目标不仅是解决一些特定的问题，还在于创建可以广泛应用于各种问题的方法。”Baker说，与AMGEN公司建立更广泛的研究关系可能比围绕单个项目进行的狭窄合作具有优势。“我们与AMGEN合作的每个项目都将测试一项新技术。也许，对于一个特定项目，该技术不是最合适的，但是在其他项目中，它可能是最合适的。我们正在采取更具全局性的观点，我认为这将使我们能够确定可能会丢失的发现。
图2.两种设计蛋白质的方法
为什么需要从头设计蛋白质？
在感叹和欣赏IPD研究议程的胆识的同时，我们需要对蛋白质折叠问题有基本的了解。所有蛋白质都是通过氨基酸链连在一起构成的，这些链折叠成3D结构的方式决定了蛋白质的形状和功能。问题是，当计算蛋白质折叠过程中涉及的所有变量（如氨基酸的长度和序列，它们形成的键角等）变化时，蛋白质的折叠方式所引起的变量可能是天文数字。典型的人体蛋白质中的折叠数就已经远远超过了宇宙中原子数的总和。我们的身体通过将基因中的DNA片段翻译成氨基酸链来制造蛋白质。这些氨基酸链折叠成三维蛋白质。但根据蛋白质的氨基酸序列来计算蛋白质的折叠方式和形状非常困难。虽然，在自然界中，蛋白质具有一种较优的结构，目前我们也可以很快找到该形状即最低势能点。但是从蛋白质的氨基酸序列预测最低能量状态仍然需要惊人的计算能力。目前我们的硬件水平尚且不能达到。虽然蛋白质的结构空间很大，设计折叠成新结构的新序列几乎是不可能的，但贝克所要解决的问题实际上远没有那么困难。Baker说：“您会认为设计折叠成新结构的新序列几乎是不可能的，因为结构空间的大小是如此之大。” “我们工作的主要要点之一是，问题实际上远没有您想像的那么困难。”概括来说，蛋白质设计不需要十分精确。即满足要达到的特性设计具有特定功能的蛋白质即可，再从功能推到结构。Baker说“如果您根据自己的理解来构建蛋白质，那么实际上可以得到比您想象的更多的东西。如果我们了解问题的75％到80％，我们将专注于这些部分。我们可以在设计计算中投入足够的精力，以便几乎可以确定蛋白质会折叠成所需的结构。”“在10到15年间，我相信几乎所有用于技术的蛋白质都将从头设计，以具有所需的特性，而不是适应进化过程中意外发生的特性。
图3.构成蛋白质的氨基酸序列与蛋白质
从头设计蛋白质的应用
多年解决日益棘手的计算问题的方法，已经帮助IPD达到了一个重要的转折点。Baker说：“我们开始设计具有特定功能的蛋白质。” “这就是我们的工作开始与医学和AMGEN联系的地方。”更好的免疫原和更智能的BiTE®技术在短期内，合作将寻求应用从头设计，以扩展传统基于蛋白质的药物的多功能性。
1.在靶向蛋白药物设计方面，目前能够靶向针对受体的蛋白很少，因此需要通过从头设计蛋白的方法来研发具有多功能的蛋白质药物，比如说，现阶段要制造出能够识别大部分埋在细胞外膜内的蛋白质靶标的抗体，就非常困难。AMGEN研究组织执行董事John Delaney说：”因为这些膜蛋白的存在，细胞外loop很小，免疫系统很难看到，虽然我们可以尝试制作这些环的副本，并将其注入小鼠体内以产生抗体。但是，通常情况下，我们并没有真正在天然蛋白质中发现相同的loop，因此抗体无法发挥作用。但是从头设计蛋白质方法可以以天然形状显示这些loop，可以使用它来设计更好的免疫原并针对某些非常有前途的药物靶标制备更有效的抗体。”
2.在治疗癌症方面，从头设计蛋白技术还需要建立在更好的免疫原和更智能的BiTE®技术基础上。数十年来治疗癌症方面面临着一份棘手的问题：如何设计能够在不损害健康细胞的情况下严重打击癌细胞的药物？BiTE®双特异性T细胞接合剂分子这样的高效疗法可以尝试解决这一问题，该疗法将T细胞束缚在癌细胞上，从而使前者能够识别并杀死后者。但是需要对BiTE®分子库进行优化改良，确保BiTE®仅在癌细胞附近才有活性。Deshaies说：“我们正在尝试寻找方法来优化我们的BiTE®分子库，并扩展我们可以用这些分子解决的问题的类型。” “ IPD可以帮助我们找到一种确保BiTE®分子仅在癌细胞附近才有活性的新方法。”因此需要通过从头设计蛋白来设计仅在同一癌细胞上存在两个不同靶标时才具有活性的药物分子，Delaney说”这样可以鉴定出存在于肿瘤中但不太可能在正常细胞中同时存在的靶标组合，从而扩大BiTE®分子靶向的肿瘤的范围，并提高其治疗指数。”
从酷科学到真正的药物
AMGEN-IPD的研究合作也代表了Baker和Deshaies之间的科学重聚。他们俩都是加州大学伯克利分校的研究生时，在同一个房间里工作了几年。Baker说：“Ray和我分开了一段时间，能够再次合作真是太棒了。”“我们希望IPD可以教我们如何以一般的方式解决问题，以便我们可以利用自己的工程知识将这些见解转化为新的药物分子。”Deshaies说：“如果没有这种长期的个人关系，建立这种非传统的合作将更加困难，因为制定这种安排需要承担一些基于信任的风险。” “如果您认识某人，并且对他们的价值观和诚信有很大的信心，与之合作和信任就更容易了。”对于AMGEN公司而言，此次合作可以帮助其保持其在生物技术蛋白质工程领域的领导者地位。该公司通过重新配置天然蛋白质以增强其抗病能力，开创了新的药物结构类别。随着从头蛋白质设计的兴起，将工程技术推向新的高度，AMGEN希望迅速攀升学习曲线。Deshaies说：“我们希望IPD可以教会我们如何以一般的方式解决问题，以便我们可以利用自己的工程知识将这些见解转化为新的药物分子。”Baker说，对于研究所而言，与安进公司的合作可以帮助加速研究所对社会产生积极影响的目标。“我们希望从基础科学方面非常酷的进步过渡到将真正的药物推广给世界各地的人们。”
图4.Ray Deshaies 和David Baker
总结
从头设计蛋白质不同于以往的从自然界中已经有的蛋白为出发点进行设计，而是通过所需的蛋白质的特性功能进行设计蛋白质，不仅省去了大量的计算，还可以更直接快速的得到所需的蛋白，相信未来从头设计蛋白将会成为蛋白质设计的一种趋势，IPD与顶级生物科技巨头AMGEN的合作意味着将尝试一种颠覆性的技术，来让人类真正意义上以“上帝的能力”创造造福人类的药物。期待这一技术可以更好的为药物事业的发展做贡献。