精彩回顾 | Science-西湖系列研讨会第③期：蛋白质工程

2023年2月17日，《科学》杂志/美国科学促进会（Science/AAAS）与西湖实验室、西湖大学联合线上研讨会第三期顺利举行，本期主题为“蛋白质工程”（Protein engineering）。

本期邀请了三位来自蛋白质化学和工程研究领域的国外顶尖学者，分别是来自麻省理工学院的Bradley L. Pentelute博士，哥伦比亚大学的Virginia W. Cornish博士，美国斯克里普斯研究所的Ahmed H. Badran博士，分享了他们对蛋白质化学合成，细胞合成生物学和非天然氨基酸引入技术方面的最新见解。西湖大学生命科学学院特聘研究员党波波博士和《科学》杂志/美国科学促进会主编Michael Funk博士共同主持本次研讨会。

资深编辑Michael Funk博士和主持人党波波博士

研讨会采用线上直播的形式，让全球的思想碰撞毫无阻碍，与会者来自海内外高校、医院、科研机构、药企等单位，累计超过10400人次观看本次直播。

第一位进行报告的是来自麻省理工的化学系教授- Bradley L. Pentelute博士。其报告的主题是：快速流动合成蛋白质。由于低效偶联和副反应，长度超过50个氨基酸的同质肽的固相合成一直是一个长期存在的挑战。Pentelute博士领导的研究小组使用自动化的化学平台来优化快速流动的肽合成，并成功实现了包括胰岛素原以及含有多个非天然氨基酸的HIV-1 蛋白酶在内的多种单结构域蛋白合成。

这些蛋白在重新折叠后，与重组蛋白相比几乎没有区别，合成的酶的活性接近于核糖体合成的酶。通过这种方法能够快速、按需合成具有大量前体氨基酸库的小蛋白质。自动化机器可在数小时内完成单结构域蛋白质的合成。同时, Bradley L. Pentelute博士指出该项技术对于D-型蛋白的合成以及镜像噬菌体筛选可以发挥重要的作用，常规D-型蛋白的合成需要多个多肽片段的合成以及数次天然化学连接，而采用快速流动合成可以在较短的时间内直接实现D-型蛋白的全长合成，这将大大提高镜像噬菌体的筛选效率，推动了D-型多肽类药物的开发。最后Pentelute博士期望可以利用机器学习等计算技术广泛收集高质量数据来进一步改善快速流动肽的合成，推动自主的蛋白设计和生产。

Bradley L. Pentelute博士做报告

来自美国哥伦比亚大学的Virginia W. Cornish博士报告的主题是“延展酵母的合成能力”。Cornish博士首先介绍了她学术生涯初期主要的研究工作，比如利用已有的小分子化合物进行蛋白二聚化，可用于蛋白降解和细胞成像；开发一种酵母可以通过自己的 DNA 复制实现体内引入基因突变的定向进化技术。此时，Cornish博士认为，利用先进技术来改造细胞是一件很有意思的事情，为后来的课题组研究方向奠定了基础。后来，Cornish博士思考，我们是否可以将酵母改造成一种生物传感器？如果成功的话，酵母成本低廉，保存方便，应用前景十分广阔。

Cornish博士课题组在这个方向上，成功开发出了一套可以检测病原体的酵母系统。他们一开始利用酵母的 GPCR 作为细胞膜感受器，使下游报告基因可以表达吸收特定光谱的蛋白，比如番茄红素（lycopene）。他们展示了在真实世界中，利用酵母试纸即可在短时间内完成病原体的检测。Cornish博士还介绍了他们现在的主要研究方向，便是直接用酵母作为疾病的治疗手段。他们开发出一种可以利用酵母治疗糖尿病伤口愈合的新型方法。

糖尿病在美国甚至全世界都是非常广泛存在的一种疾病，在糖尿病病人中，有 19 – 34 %的概率发生糖尿病足溃疡（diabetic foot ulcers，DFUs），每年的治疗成本高昂，同时有不少病人因此截肢。而目前的治疗药物主要有两类，分别是纯化的生长因子和基质中的人皮肤细胞。这两种药物价格高，而且纯化的生长因子还有致癌风险，所以迫切需要一种简易高效的治疗方法。所以Cornish博士想尝试通过酵母直接分泌表达表皮生长因子（EGF）用于促进伤口愈合。

体外细胞划痕实验表明，酵母表达的 EGF 可以显著促进细胞向划痕迁移，加快“伤口”恢复。紧接着，在糖尿病小鼠模型中，他们将酵母用半透膜包裹并粘贴在小鼠伤口表面，此时只有EGF可以透过半透膜接触伤口。实验结果显示可以分泌 EGF 的酵母实验组小鼠伤口愈合速度更快，并且免疫组化数据表明该实验组具有更厚的表皮，更多增殖角质细胞，以及更丰富的新生血管。

最后，Cornish博士认为利用合成生物学改造酵母细胞，使其具有新结构和新功能，和早期学术生涯中自己进行化学合成小分子的研究十分相似，都是利用基础模块进行新事物的创造，相信可以为不同疾病提供新的治疗方式。Cornish博士的报告系统性总结了自己学术生涯的重要工作，从小分子到蛋白质，最后来到细胞改造，让我们领略到生物工程化的魅力。

Virginia W. Cornish博士做报告

第三位是来自美国斯克里普斯研究所的Ahmed H. Badran博士，他的报告主题是“重写生命代码: 在活细胞中建立一个正交信息编码-解码系统”。地球上的生命形式十分多样，但有趣的是，几乎所有的生命都是由相同的元件拼装而成，比如蛋白质种类繁多，但组成蛋白质的氨基酸只有20余种。Badran博士认为，如果我们能够工程化修改密码子，生成非经典氨基酸（ncAAs），使其具有新的侧链或骨架，那么我们就可以获得可能具有全新功能的蛋白质。

在蛋白质中引入非经典氨基酸，就类似于利用化学方法对蛋白进行翻译后修饰，可能极大地提升蛋白质的稳定性或者酶的催化活性。但是，合成蛋白质的过程非常复杂，需要tRNA合成酶、核糖体、mRNAs、tRNAs和密码子的协同运作。如果想引入非天然氨基酸，这些组件都需要改变。已经有不少研究工作来解决这些科学问题。例如，可以通过定向进化的方法筛选出特异性识别ncAAs的tRNA合成酶，目前工程化的tRNA合成酶已经可以在细胞中识别并整合超过160种ncAAs。

然而，其中一个问题是：相应蛋白的产量很低，或者引入ncAAs的效率不高。因此，Badran博士课题组通过噬菌体辅助连续进化系统(PACE)，工程化改造核糖体，让修改过的密码子更容易被识别，提高非天然氨基酸插入效率，连翻译效率也获得极大提升。接着，第二个关键组成部分是密码子。为了解决引入稀有密码子对应的 tRNA 可能会导致正常蛋白翻译出错的问题，Badran博士课题组以四联密码子为基础，利用PACE定向进化的方法针对多种qtRNA进行筛选，使其能够特异性识别不同氨基酸对应的四联密码子。在未来的研究中，Badran博士还将继续优化mRNA和tRNA组分。

最后，基于已有的工作，Badran博士介绍了实验室正在进行的相关应用：1. 设计效能提升的固碳酶；2. 进化出分解效率更好的塑料降解酶；3. 从头设计钯依赖的酶；4. 开发创新的分子胶水降解剂发现策略。

Ahmed H. Badran博士做报告

本次研讨会两位主持人和三位主讲人针对“蛋白质工程”研究领域进行了深入思考和交流，听众也表现出很高的热情和参与度。相信会议中许多不同的观点和建议，以及嘉宾们热烈的讨论，对大家今后的研究工作有很大的帮助。期待我们在不久的将来再次聚在一起，继续为共同的学术目标努力。

嘉宾及主持人圆桌讨论

往期回顾

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文章来源 / 党波波实验室