附:
如何进行蛋白设计?
Imagine能根据需要来构建一种全新的蛋白——任何小分子的生物传感器,或者一种新型的酶。这不纯粹是幻想,计算结构生物学(Computational structural biology)能帮助我们实现这一想法。
世界上的许多研究团队一样,来华盛顿大学的HHMI研究员David Baker教授也已经开始初步设计新蛋白和蛋白的折叠,计算能折叠形成具有自然界中未被发现的酶活性的氨基酸序列。这种可行性仅仅受我们想象力的限制:绘制设计一种核酸内切酶来防止疟疾,检测生物恐怖试剂的分子传感器,或者一种阻止HIV进化的疫苗。
科学家们已经多年尝试开发一种能根据氨基酸序列来简易地预测蛋白结构的方法。想象只要具备一种生物的基因组的序列,科学家们就能够刻画出这种生物的每一种蛋白的结构,这将使得单从基因序列无法发现的蛋白的生物分子相互作用、结构同源性、功能作用和潜在的药物靶标得到揭示。
虽然还存在漫长的路要走,但是在算法的改善和计算能力的增强的情况下,在蛋白结构预测和设计方面的令人兴奋进展一定到来。
Structure Prediction
二十世纪七十年代利用RNAase进行的经典的实验证明了蛋白折叠所需的信息全部存在于自身的氨基酸序列中。这表明蛋白结构预测能直接进行。但是从序列到结构的预测就像是生物学中的“天气预报”,存在着困难。因为尽管一种相对小的蛋白也会存在着多种可能的构像。根据Levinthal's Paradox,假设每种氨基酸具有自由的三种轴对称转动度,含100个氨基酸残基的序列具有3100的可能构型。
为了攻克这个问题,David Baker等人已经开发了一种叫做ROSETTA的计算机程序,它的核心部分是一种计算给定蛋白构象的能量的方法。消除不可能的蛋白结构,例如暴露于溶剂中的疏水结构,该程序对所有的蛋白折叠的画面进行取样,检测大约一百万种具有最低能量结构的可能构象。
为了检验这一研究,自从1998年开始,David Baker和他的同事参加了一个叫做CASP (Critical Assessment of techniques for protein Structure Prediction;http://www.predictioncenter.org/,)的世界性的结构预测实验,进入了ROSETTA预测程序的利用阶段。CASP于十多年前创立,是一种结构生物学证明平台,是一种要求参与者在蛋白结构被阐明担未公开的情况下预测蛋白的形状的团体性实验和竞争。然后这些预测与正确的结构相比较,举行会议讨论得到的结果,确定最具前景的预测方法和剩下仍未解决的最重大问题。虽然目前还没有一种算法能得到完全正确的结构,但是ROSETTA在这些测试中表现良好,并且每年我们的预测与其他小组的预测更加接近。
如何进行蛋白设计?
我们可以通过在蛋白模型和结构预测中的技术进步来构建具有新型功能的蛋白。
——HHMI,David Baker
(Reprogrammed:这是通过计算机重新设计的endonuclease I-MsoI的结构,目的是使其靶向新的DNA位点。这种重新设计的酶与野生型相比,具有靶标识别水平上的位点改变特异性。这种方法目前已经应用于更多的靶标中去,例如基因疾病热点(hotspots)。
Imagine能根据需要来构建一种全新的蛋白——任何小分子的生物传感器,或者一种新型的酶。这不纯粹是幻想,计算结构生物学(Computational structural biology)能帮助我们实现这一想法。
世界上的许多研究团队一样,来华盛顿大学的HHMI研究员David Baker教授也已经开始初步设计新蛋白和蛋白的折叠,计算能折叠形成具有自然界中未被发现的酶活性的氨基酸序列。这种可行性仅仅受我们想象力的限制:绘制设计一种核酸内切酶来防止疟疾,检测生物恐怖试剂的分子传感器,或者一种阻止HIV进化的疫苗。


