一個(gè)設(shè)計(jì)的離子通道。如John等人所報(bào)到的，在設(shè)計(jì)的膜蛋白中產(chǎn)生生物活性的能力，是建立已被了解的根本原則的必要一步，這能由標(biāo)題中Richard Feynman有名的格言扼要地闡述。

研究人員設(shè)計(jì)一種蛋白質(zhì)來(lái)進(jìn)行離子的跨膜運(yùn)輸。

現(xiàn)在的生命依賴于蛋白質(zhì)的化學(xué)活動(dòng)?？茖W(xué)家們一直以來(lái)都希望能了解它們的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多種多樣的化學(xué)活動(dòng)，并通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)模擬它們的性質(zhì)。然而，設(shè)計(jì)有結(jié)構(gòu)的多肽鏈——?jiǎng)?chuàng)造功能性蛋白質(zhì)的先決條件——已經(jīng)被證實(shí)是非常有挑戰(zhàn)性的。近年來(lái)在一些領(lǐng)域已取得了進(jìn)展，如在水溶液中折疊蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)和具催化活性蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)，但膜蛋白的設(shè)計(jì)還處于剛剛起步階段。John等人完成的具里程碑歷史的研究直面了設(shè)計(jì)新蛋白質(zhì)的兩個(gè)主要挑戰(zhàn)：具仿生功能折疊膜蛋白的設(shè)計(jì)。

在地球上所有生命zui后的普遍共同祖先的時(shí)候，即約35億年前，生命的大分子出現(xiàn)了一分為三的分工，DNA承擔(dān)了信息庫(kù)的角色、蛋白質(zhì)提供催化活性，而RNA則在它們中起介導(dǎo)作用。這三種大分子都需要明確的三維結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)它們的生物作用。但核酸在變性后會(huì)自發(fā)折疊并可靠地恢復(fù)它們的結(jié)構(gòu)，而蛋白質(zhì)折疊則是一個(gè)容易被打亂的復(fù)雜過(guò)程；在變性后，蛋白質(zhì)通常會(huì)聚集，而且還必須降解和再合成。

在設(shè)計(jì)核酸領(lǐng)域的快速發(fā)展使得基因工程成為了一項(xiàng)例行技術(shù)，它有廣泛的應(yīng)用性并擁有可預(yù)期性。另一方面，蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)則被證明是一個(gè)更加有難度的課題，原因在于所謂的蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題：氨基酸序列是如何決定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的？

尤其有兩方面使得這個(gè)問(wèn)題非常棘手。首先，絕大多數(shù)的氨基酸序列沒(méi)有折疊結(jié)構(gòu)。這可能看起來(lái)是違反直覺的，因?yàn)槲覀兺ǔＳ龅降逆湺际翘烊坏鞍踪|(zhì)鏈，而且這些鏈絕大多數(shù)是折疊的。然而，多肽文庫(kù)的篩選表明十億個(gè)樣本中少于一個(gè)是折疊的。其次，對(duì)于那些少數(shù)的折疊鏈，折疊的自由能僅僅相當(dāng)于幾個(gè)氫鍵。因此絕大多數(shù)的折疊蛋白質(zhì)在能量上與非折疊態(tài)是很相近的——通過(guò)僅高于正常生長(zhǎng)溫度的熱休克處理便可造成結(jié)構(gòu)破壞可以證明這一事實(shí)。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)是化學(xué)活性的先決條件，所以蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)仍然被這一問(wèn)題所困。

雖然一個(gè)蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題的通用解決方法非常有利于設(shè)計(jì)，但是為簡(jiǎn)單案例提供的方法，如設(shè)計(jì)短的、理想化的或重復(fù)性的多肽鏈的方法，卻能使得這個(gè)領(lǐng)域向前發(fā)展。將進(jìn)化過(guò)程中保留下來(lái)的序列模式保留下來(lái)也被證明是非常有益的，使用天然出現(xiàn)的蛋白質(zhì)碎片作為結(jié)構(gòu)單元也是如此。成功的設(shè)計(jì)工作不僅僅復(fù)制了一些天然折疊和酶活性，還產(chǎn)生了新的折疊和催化活性。正如Richard Feynman的非常有名的格言所說(shuō)的，“我所無(wú)法創(chuàng)造的，我無(wú)法理解"，成功的設(shè)計(jì)也能有力地說(shuō)明這個(gè)設(shè)計(jì)原理已被了解。

卷曲螺旋是的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)模型系統(tǒng)中的一個(gè)，它是由兩條或多條平行或反平行取向的螺旋線繞著一個(gè)中心軸彎曲形成的纖維性褶皺。卷曲螺旋的螺旋線沿著能形成有規(guī)律的、幾何上確定的相互作用的殘基配對(duì)，因此它們有低復(fù)雜度的重復(fù)序列。相比于球狀褶皺（通常多于70個(gè)殘基），卷曲螺旋能在較短的長(zhǎng)度內(nèi)（一般為25到30個(gè)殘基）結(jié)構(gòu)化，而且更加穩(wěn)定。在蛋白質(zhì)中，只有它們的結(jié)構(gòu)能用參數(shù)方程（Crick方程）描述，也因此能被計(jì)算（而不是模擬，模擬是一個(gè)艱辛得多的過(guò)程）。包括John等人的工作在內(nèi)，zui近的研究大幅地?cái)U(kuò)展了經(jīng)設(shè)計(jì)的卷曲螺旋形式的范圍。

Huang等人設(shè)計(jì)了由三條和四條螺旋線形成的反平行束，與通常的序列周期為七個(gè)殘基的卷曲螺旋不同，這兩種反平行束的序列周期分別為18個(gè)和11個(gè)殘基，它們同時(shí)還異常穩(wěn)定。作者還建立了由五條螺旋線形成的平行卷曲螺旋，它標(biāo)志著帶緊密堆積核的束狀向封閉著一個(gè)、溶劑可進(jìn)入的通道的桶狀的過(guò)渡。

卷曲螺旋桶中的螺旋線間相互作用包含了兩種殘基鍵接（而不是像束狀那樣只有一種），因此更加難以設(shè)計(jì)。Thomson等人根據(jù)鍵接的幾何學(xué)將這些復(fù)雜的鍵接分成了三類，他們還通過(guò)設(shè)計(jì)五聚物、六聚物和七聚物桶來(lái)表明他們已了解了決定類型的原理。實(shí)驗(yàn)表明由這些桶狀形成的通道有不同的化學(xué)可及性，基于此，他們強(qiáng)調(diào)了這些通道有可能用作催化劑。

這些通道也很有可能用于跨膜溶質(zhì)運(yùn)輸。John等人通過(guò)構(gòu)建膜包埋的卷曲螺旋來(lái)闡明這一點(diǎn)，這種螺旋兩頭末端處有兩個(gè)Zn2+離子的結(jié)合位點(diǎn)。這個(gè)卷曲螺旋（稱為Rocker）能有意地在兩種狀態(tài)中動(dòng)態(tài)地振動(dòng)，例如當(dāng)Zn2+結(jié)合在一個(gè)位點(diǎn)時(shí)，另一個(gè)位點(diǎn)的Zn2+就會(huì)釋放。通過(guò)進(jìn)一步地設(shè)計(jì)結(jié)合位點(diǎn)，例如它們能與鋅離子或者氫離子配合，但不能同時(shí)配合，John等人確認(rèn)了這些離子是以相反的方向運(yùn)輸?shù)?。的確，他們表明Rocker能在一端轉(zhuǎn)運(yùn)一個(gè)Zn2+離子的時(shí)候在另一端轉(zhuǎn)運(yùn)三到四個(gè)氫離子，即使兩端存在pH梯度（見圖）。通過(guò)對(duì)這個(gè)合成的反向轉(zhuǎn)運(yùn)體的結(jié)構(gòu)和活性的深入表征證實(shí)了所有設(shè)計(jì)目標(biāo)所達(dá)到的度。

John等人的研究令人信服地打破了蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的一些障礙：將蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)從溶劑中引入到膜中，以動(dòng)態(tài)性質(zhì)為目標(biāo)，而不是穩(wěn)定性，從基本原理中獲得了的仿生性能，不依賴于篩選或者定向進(jìn)化。由于絕大多數(shù)的膜蛋白是螺旋形的，而且Grigoryan和Degrado已經(jīng)為這些結(jié)構(gòu)提供了Crick方程的通用擴(kuò)展式，這項(xiàng)工作能為膜蛋白工程開創(chuàng)令人振奮的新途徑。這是不應(yīng)該被忽視的，但是將這些進(jìn)展擴(kuò)展至其它的蛋白折疊仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

原文檢索：

Andrei N. Lupas. (2014) What I cannot create, I do not understand. Nature, 346(6216): 1455-1456.