《科學》：奇才DavidBaker設計蛋白可對抗新冠病毒

本周，素有“科學界奧斯卡”之稱的“科學突破獎”（Breakthrough Prize）公布了一年一度的獲獎名單。其中，華盛頓大學（University of Washington）蛋白質設計研究所的David Baker教授成為生命科學獎項的四位獲獎人之一。

David Baker教授（圖片來源：HHMI官網）

Baker教授是人工設計蛋白領域的領軍人物，他開發了一種計算機技術，可以創建出自然界中從未見過的蛋白質。而這些具有全新結構的人工蛋白質，有望為影響人類健康的疾病帶來新的治療方法。

近日在頂尖學術期刊《科學》上，Baker教授的研究團隊帶來了一項新成果：他們設計的蛋白質可以對抗新冠病毒！在培養的人類細胞中，有一款候選蛋白質藥物顯示出的抗病毒活性，可與目前已知的強效中和抗體相媲美。

我們現在知道，新冠病毒的表面有許多刺突蛋白（Spike protein），這是它們感染人體細胞的關鍵。刺突蛋白通過其受體結合域（RBD）與人體細胞表面的ACE2受體相互作用，然后進入細胞。因此，干擾這種相互作用，是阻止新冠病毒感染細胞的一種重要策略，起到治療甚至預防性保護的作用。

在Baker教授的主導下，第一作者Longxing Cao博士與同事們設計了與新冠病毒刺突蛋白緊密結合的小型蛋白。

設計思路的藝術呈現：用計算機構建的小型蛋白結合新冠病毒表面的刺突蛋白，干擾病毒的感染機制（圖片來源：參考資料[2]；Crdit：UW Medicine Institute for Protein Design）

研究人員采用了兩種設計策略，一種是先用計算機生成小蛋白骨架結構，以此為基礎整合ACE2受體的片段，提高親和力；另一種方法，則是在蛋白骨架上對接病毒RBD，識別全新的結合模式，從頭開始設計完全合成的蛋白質。

據研究小組介紹，他們在計算機上設計了超過200萬個候選的結合蛋白，隨后生成了118000多個新蛋白，在實驗室中進行了測試。

兩種設計策略的示意圖（圖片來源：參考資料[1]）

研究結果發現了10種設計蛋白，可以在100pM~10nM的范圍內結合新冠病毒RBD，在體外細胞實驗上顯示出良好的抑制活性（IC50在24 pM ~ 35 nM）。其中，活性最強的一種抗病毒蛋白由第二種策略產生，即通過全新方式結合RBD。研究人員將其命名為LCB1，其IC50為0.16 ng/ml。按質量計算，LCB1的效力是迄今為止報道的最有效的單克隆抗體的6倍。

“盡管還需要進行廣泛的臨床試驗，但我們相信，這些計算機創建的抗病毒藥物中有一些富有前景，它們可以像單克隆抗體一樣阻止新冠病毒感染，而且還更容易生產，也更加穩定，因而有望減少對于冷藏的需求。”Cao博士說道。

本研究第一作者Longxing Cao博士（圖片來源：參考資料[3]；

UW Medicine Institute for Protein Design）

研究團隊還進一步通過低溫冷凍電鏡，驗證了新的抗病毒蛋白與RBD相結合時的三維結構，確認其與計算設計模型非常接近。

Baker教授評論說：“我們成功地從頭開始設計了高親和力的抗病毒蛋白，進一步證明了計算蛋白設計可用于創建有前途的候選藥物。”

正如科學突破獎的宗旨所言，“支持科學家們致力于解決最重大和最基本的科學問題”，這項新的研究成果也讓我們看到，極具創新的蛋白設計方法正在為治療新冠病毒病提供新的起點。我們也期待科學家們的不斷創新具有更廣泛的應用，最終幫助我們攻克諸多影響人類健康的疾病。

參考資料

[1] Longxing Cao et al., (2020) De novo design of picomolar SARS-CoV-2 miniprotein inhibitors. Science. DOI: 10.1126/science.abd9909

[2] Antiviral proteins block coronavirus infection in the lab. Retrieved Sep. 11, 2020, from https://www.ipd.uw.edu/category/coronavirus/

[3] Scientists design proteins that could keep coronavirus from spreading COVID-19. Retrieved Sep. 11, 2020 from https://www.geekwire.com/2020/scientists-design-proteins-keep-coronavirus-spreading-covid-19/

一般人對科學家的形象都是，不修邊幅，勤勤懇懇在實驗室里，受得住寂寞，耐得了無聊。

可是你曾想到，生物實驗也可以通過電腦游戲來實現。

David Baker say，of course yes, just foldit!

這個號稱解開蛋白折疊奧秘的男人，專注于蛋白設計的科學家，會有什么樣的精彩故事呢？

大家都知道，于謙老師有三大愛好，抽煙、喝酒、燙頭。

Baker老師也有三大愛好，爬山、玩游戲和發CNS。

第一，爬山探險，不多說直接上圖為證。從2013年（可能更早）開始，幾乎每年攀登一次雪峰。

二，玩游戲。親手設計了蛋白折疊游戲“Foldit”，下載地址：https://fold.it/portal/，感興趣的可以下載玩一玩。游戲界面是這樣子的，

就問你炫酷不炫酷。玩到最后還發了篇nature，這些民科級別的游戲玩家，做夢也沒有想到自己還能登頂nature。

游戲界面是這樣的

最后設計出來的蛋白，還有自然界不存在的結構

實驗室的主頁也是這么炫酷。光看2019年已經發遍了CNS，還不止一篇。羨慕嫉妒恨吧，沒辦法人家就是這么牛。

baker為啥可以在蛋白人工設計領域這么厲害呢，究其原因，就是他設計了一個蛋白結構設計算法，Rosetta。以此算法為基礎設計出了一大批新蛋白。

首先，構建酶催化模型。其次，搜索與和比對，并進行整合。再次，優化酶的結構與結合力。最后，在大腸桿菌表達并篩選出具有一定功能的新酶。

最后，baker老師在TED演講的時候，指出人工蛋白設計的五大方向：

• 設計新型疫苗

• 設計包含有非天然氨基酸的蛋白質

• 設計先進的藥物輸送載體

• 設計智能療法

• 開發高性能生物材料

所以，想為科研做貢獻么？下載Foldit吧，玩游戲就可以了。蛋白設計的明天就看你嘍！

今日奇才明日諾獎！David Baker一口氣設計2萬多個流感病毒抑制多肽 

在我們學習生化的時候，我們都記得這樣一句話，蛋白質設計是世界性難題，事實上，這個難題，正逐步被華盛頓大學美國科學院院士David Baker所打破，

尤其是這次這篇工作，直接設計了2萬多個多肽，通過酵母展示和高通量測序技術進行富集，并展現了相應的功能，選擇了很多高活性的多肽藥物，可以有效地阻斷流感病毒。

有且只有用“震撼”二字來形容讀這篇文章的感受。

我們來看看他們干了什么。

按照我們通俗的理解，設計蛋白是一個難事兒，尋找短的多肽也是一件難事兒，而David Baker則一口氣設計的數萬種片段。

具體來說，他們瞄準兩個不同的蛋白靶點，流感病毒HA，以及神經毒素BoNT，圍繞這兩個靶點，產生了4000多種蛋白骨架，然后依賴這些模板，根據Rosetta蛋白質設計軟件，最終分別設計了7000多和3000多具體的蛋白序列。

然后將這些文庫序列合成在酵母上，進行展示。

經過進一步的優化后，最終科學家們通過表達一些多肽，驗證相應的功能。

通過三維結構解析，可以看到與預測的模型非常吻合，同時有非常強的穩定性。