■中国科学报报见习记者 杜珊妮 记者 冯丽妃

　　西湖大年夜学卢培龙团队初次从头设计出跨膜荧光激活蛋白（tmFAP），这是第一个经由过程人工设计获得的可以或许非共价结合特定小分子的跨膜蛋白。2月20日，相干研究成果揭橥于《天然》，国际审稿人称之为“佳构”。

　　卢培龙本科卒业于中国科学技巧大年夜学，博士卒业于清华大年夜学，师从中国科学院院士施一公。博士后阶段，他在2024年诺贝尔化学奖得主、美国华盛顿大年夜学传授戴维·贝克实验室工作。

　　“他们（施一公和贝克）都寻求做最有挑衅性的课题，这对我影响异常大年夜。做科研必定要有这种立场和信念。”卢培龙在接收《中国科学报》记者采访时说。

　　一项“佳构”

　　“膜蛋白是细胞膜体系上的蛋白，约占人类基因组的25%以上。现代药物的靶点跨越一半都是膜蛋白。”卢培龙解释说。

　　在清华大年夜学读博时代，卢培龙师从施一公从事膜蛋白构造生物学研究，曾揭示了与阿尔茨海默病发病直接相干的人源γ渗出酶复合物的首个精细三维构造，为懂得阿尔茨海默病的发病机理供给了重要线索。

　　2015年参加贝克实验室后，卢培龙欲望将蛋白质设计手段应用于膜蛋白设计。当时，贝克实验室在蛋白质设计及构造猜测范畴异常有名，但在膜蛋白设计方面尚未涉足。2018年，卢培龙初次成功精确设计了多次跨膜蛋白构造，弥补了这一空白。

　　然而，仅有构造还远远不敷，卢培龙欲望付与人工膜蛋白真正的功能。2019年回国参加西湖大年夜学后，他建立了自力实验室，进一步霸占这一难题。

　　“假如把细胞膜看作是分隔细胞表里部情况的‘城墙’，那么跨膜蛋白就如同城墙上一系列周详的‘城门’。”卢培龙形象地比方说，它们可以选择性控制物质进出细胞，特异性辨认并许可一些小分子经由过程，控制膜表里物质能量信息的进出，保障细胞对外界情况的响应，维系生命运转。

　　成果背后，卢培龙与《中国科学报》记者分享了他一路走来的故事。个中，有人生门路上的荣幸，但更多的是摸索将来的勇气、对科研的兴趣和热忱，以及面对艰苦时的保持不懈。

　　很多跨膜蛋白的功能都依附于与特定分子的互相感化来实现。例如，位于视网膜的视紫红质蛋白，经由过程与维生素A的衍生物——视黄醛的分子结合，在光刺激下产生构象变更，从而传递视觉旌旗灯号，赞助大年夜脑辨认世界。

　　2024年12月9日，论文经由多轮审稿和修改后被《天然》正式接收。接收的那一天，刚巧是2024年诺贝尔奖颁奖典礼的前一天。彼时，卢培龙抵达瑞典，受邀参加贝克的诺贝尔奖纪念活动，见证汗青性时刻。

　　然而，从头设计可以或许精准结合特定分子的跨膜蛋白，是蛋白质设计范畴面对的巨大年夜挑衅。

　　问题的棘手性是多方面的，如膜情况的复杂性、膜蛋白表达和纯化的艰苦，以及小分子结合蛋白的从头设计问题。

　　卢培龙团队迎难而上，用5年时光霸占难题，从头设计出世界上首个可以或许特异性结合特定小分子的跨膜荧光激活蛋白。

　　事实上，“佳构”背后，研究团队这几年的路走得并不平坦。

　　解决“只有上帝才知道”的问题

　　卢培龙团队构思出一个“两步调”设计策略：第一步，选择荧光基团HBC599作为目标配体分子，设计出一种水溶性荧光激活蛋白（wFAP），用以验证设计的蛋白质的根本构型和功能；第二步，对其进行调剂，将亲水外面改革为疏水外面，转化为具有配体结合才能的脂溶性跨膜蛋白。

　　思路很清楚，但操作起来并不轻易。为了将水溶性蛋白改变为具有功能的跨膜蛋白，研究团队测验测验了多种办法。最初，他们采取传统能量算法，试图经由过程突变氨基酸将蛋白外面亲水性改为疏水性。然而，蛋白质外面变更后，本来设计好的小分子结合口袋的外形和化学构造会改变，使其无法有效结合配体。“这就似乎在蛋白中心有一个大年夜洞，须要在蛋白外面‘施工’，还请求‘洞’不克不及坍塌，本身就异常艰苦。”卢培龙说。

　　为了冲破瓶颈，他们借助AlphaFold2等人工智能（AI）蛋白质猜测神经收集，开辟了设计跨膜蛋白的办法，并应用梯度引导的幻觉设计，实现了在保持结合口袋稳定性的同时，优化蛋白质的外面残基，成功创建了相符膜情况需求的跨膜疏水区。

　　然而荧光基团HBC599在水溶液中没有荧光，只有与蛋白结合后，其构象被固定，才会发出强烈的荧光旌旗灯号。“假如看到荧光，那就是成功了。假如没有荧光，则解释还需改进。”卢培龙说。

　　经由一系列调剂与优化，团队终于成功设计出与水溶性荧光激活蛋白wFAP核心构造雷同，且能与荧光基团HBC599特异性结合的跨膜荧光蛋白tmFAP。其荧光亮度激活跨越1600倍，与小分子的亲和力达到纳摩尔级别。

　　2023年9月，研究团队将论文投给《天然》。5个月后，等来的答复却令人“喜忧参半”。3位审稿人中，两人比较承认这项研究，但个中一人提出一个极具挑衅性的技巧问题——请求研究团队证实跨膜荧光蛋白折叠成了所设计的三维构造。

　　其实，这位审稿人知道这有多灾，他将本身提出的问题形容为“只有上帝才知道”。

　　不过，卢培龙和团队成员并未是以被“劝退”。卢培龙回想起读博时代，在导师施一公的指导下，致力于挑衅最难的构造生物学问题。当时，在施一公实验室，解析人源γ渗出酶复合物三维构造的课题持续开展了10余年，曾被很多人认为是弗成能解决的问题。然而，在他们的不懈保持下，这一难题最终被霸占，相干研究揭橥于《天然》，并入选2014年中国十大年夜科技进展消息。

　　这一次，卢培龙再次决定挑衅自我。

　　因为新设计的跨膜蛋白较小，仅有170个氨基酸阁下，不实用冷冻电镜构造解析，之前测验测验了大年夜量晶体学研究，但并没有成功，似乎真的“只有上帝才知道”晶体是否发展。

　　为了走出困境，卢培龙和团队成员一次次开展脑筋风暴，想出破解之法——经由过程设计，将本来小的跨膜蛋白变大年夜，同时保持稳定性。这一思路最终让团队应用冷冻电镜解析了清楚的跨膜荧光激活蛋白的三维构造，不仅冲破下场限性，还创下了世界记载。“据我所知，这可能是今朝世界上应用冷冻电镜解析的最小的配体-跨膜蛋白复合体构造。”卢培龙说。

　　这位曾经的领路人对他说：“培龙，这是一项重要研究，我很高兴你没有做简单的课题。”

　　用勇气、兴趣与保持“开创无穷可能”

　　在西湖大年夜学的小我主页上，卢培龙写着如许一句话：“欲望在所有西湖人的合营尽力与见证下，西湖大年夜学能成为进行多学科交叉研究的幻想殿堂，将奇思妙想变为实际，开创无穷可能！”

　　他和团队的新研究恰是一件“让弗成能成为可能”的工作。这项研究不仅为跨膜蛋白的从头设计供给了新范式，也为将来开辟可遗传编码的生物探针和疾病治疗手段打开了全新的大年夜门。

　　2008年，还在中国科学技巧大年夜学生命学院读大年夜三的卢培龙怀揣兴趣，给彼时在美国普林斯顿大年夜学的施一公发了一封邮件，分享了本身对其揭橥的一篇膜内蛋白酶评述论文中不雅点的思虑。

　　这封邮件成为卢培龙人生门路上的一个转折点。之后，卢培龙荣幸地以本科生身份进入施一公在清华大年夜学的实验室，开启科研生活。在清华大年夜学，卢培龙不仅接收了体系的构造生物学练习，还受到施一公的耳濡目染，养成了优胜的科研习惯。

　　“施师长教师常说的一句话是‘魔鬼藏在细节中、细节决定成败’。他对科研的严谨性和细节的把控至今仍影响着我。”卢培龙对《中国科学报》说。

　　博士卒业后，卢培龙决定摸索蛋白质设计。当时相干研究旭日东升，尽管他对将来也没有“百分之百的把握”，但他照样想服从心坎的呼唤，测验测验新的偏向。2015年，卢培龙成为贝克实验室首位在中国获得博士学位的博士后研究员。

　　本年，是卢培龙参加西湖大年夜学的第六年，跨膜荧光蛋白设计是他在建立实验室之后便开启的工作之一。他坦言，这一成果背后，离不开西湖大年夜学创造的自由、宽松的学术氛围。

　　谈及将来，卢培龙表示，将持续环绕膜蛋白设计进行研究，应用膜蛋白感知外界旌旗灯号的生物学机制，设计全新的蛋白质对象，并将其应用到基本研究与疾病干涉中。“我们欲望可以或许推动这种技巧的跨学科应用，为生物技巧范畴取得更多的立异和冲破。”

　　“这项工作设计的荧光跨膜蛋白在成像应用中具有巨大年夜潜力，特别是跨膜变体，可以开辟为传感器用于检测膜电位。”一位国际审稿人如斯评价。

　　相干论文信息：

　　国际审稿人高度评价这一成果，认为“这是蛋白质设计的一项佳构”，“为蛋白质设计和构造生物学范畴带来了令人高兴的进展”，具有“巨大年夜应用潜力”。

　　https://doi.org/10.1038/s41586-025-08598-8

　　当时，研究团队解析了水溶性荧光激活蛋白的三维构造，和设计模型一致，并且跨膜荧光激活蛋白和水溶性版本具有雷同的荧光激活才能，关键氨基酸也一致，已经从侧面证清楚明了这一问题。但跨膜荧光激活蛋白构造解析艰苦，团队之前已经进行了大年夜量测验测验，都没有成功。

　　《中国科学报》 (2025-02-24 第1版 要闻)

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