一項(xiàng)開創(chuàng)性的研究為自然界中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其折疊的驚人多樣性提供了新的線索。研究人員開始揭示大自然在多大程度上探索了可能的蛋白質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的廣闊前景。結(jié)果揭示了一系列令人震驚的未探索的蛋白質(zhì)折疊，擴(kuò)展了我們的理解并揭示了蛋白質(zhì)宇宙的深度。
這項(xiàng)題為“Exploration of novel αβ-protein folds through de novo design”的研究已公開發(fā)表于國際頂級期刊《Nature Structural and Molecular Biology》上。

蛋白質(zhì)是生命的基石，它們可以折疊成特定的三維結(jié)構(gòu)，使它們能夠發(fā)揮生物功能。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)是由它們的氨基酸序列決定的。盡管多年來實(shí)驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)成功地揭示了許多蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，但是由 α-螺旋和 β-鏈的排列和連接定義的新蛋白質(zhì)折疊的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)變得越來越少見。這就提出了一個問題: 蛋白質(zhì)折疊空間有多大，是自然界沒有探索到的。為了解決這個長期存在的問題，人們進(jìn)行了理論研究，但缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

為了解決這個問題，研究小組開始了一項(xiàng)研究，將新蛋白質(zhì)折疊的理論預(yù)測與其從頭設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合。

研究小組設(shè)計(jì)了基于物理化學(xué)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的規(guī)則，從理論上預(yù)測可能的蛋白質(zhì)折疊。這些規(guī)則然后被用來預(yù)測新的αβ-折疊，其中包括一個四至八股β-折疊，尚未在目前的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（PDB）中觀察到。這導(dǎo)致了總共12356個新的褶皺的識別。然后，研究小組試圖從頭開始為預(yù)測的新型折疊設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)，以評估新型折疊的可折疊性和保真度。

研究人員試圖通過計(jì)算設(shè)計(jì)具有所有預(yù)測折疊的蛋白質(zhì)，這些折疊具有四鏈β折疊，包括形成結(jié)樣結(jié)構(gòu)的折疊。但這些蛋白質(zhì)在設(shè)計(jì)時(shí)并未被期望都能像預(yù)期的那樣折疊成結(jié)構(gòu)。但實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果令人驚訝，對于所有的折疊，計(jì)算設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)非常匹配。

這些發(fā)現(xiàn)表明存在至少約10000個未探索的可折疊αβ折疊，考慮到在自然界中僅觀察到400個αβ折疊，這是一個重要的啟示。這表明在蛋白質(zhì)折疊空間中許多潛在的折疊仍然未知。

這些結(jié)果提出了一些關(guān)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和進(jìn)化的假設(shè)。一個假設(shè)是，蛋白質(zhì)在生物學(xué)中存在的時(shí)間可能不夠長，以至于所有可能的折疊都沒有被探索到。另一個假設(shè)是，由于地球上的所有生命都是從一個共同的祖先進(jìn)化而來，自然界中的蛋白質(zhì)折疊本質(zhì)上是有偏差的。也就是說，蛋白質(zhì)可能是通過重復(fù)使用特定的折疊來進(jìn)化的，同時(shí)表達(dá)不同的功能——如果外星生命確實(shí)存在，它可能利用了一組不同的蛋白質(zhì)折疊。

蛋白質(zhì)因其多樣的功能而聞名，這些功能是由蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的多樣性產(chǎn)生的。這項(xiàng)研究揭示了自然界中至少存在約10000個未知的可折疊αβ折疊。具有這些新折疊的蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)將導(dǎo)致更大的結(jié)構(gòu)多樣性。這將為功能蛋白質(zhì)分子的從頭設(shè)計(jì)鋪平道路，加速藥物開發(fā)，酶設(shè)計(jì)和其他領(lǐng)域的突破。