2月20日，西湖大學(xué)盧培龍團(tuán)隊在《自然》雜志發(fā)表論文，首次從頭設(shè)計出跨膜熒光激活蛋白（tmFAP），為膜蛋白設(shè)計領(lǐng)域帶來重大突破。國際審稿人稱其為“杰作”。
盧培龍本科畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命學(xué)院。博士師從施一公教授，畢業(yè)于清華大學(xué)生命學(xué)院。博士后期間，他在2024年新晉諾獎得主、華盛頓大學(xué)蛋白質(zhì)設(shè)計先驅(qū)戴維·貝克（David Baker）教授實(shí)驗(yàn)室工作。
“他們（施一公和貝克）都追求做最有挑戰(zhàn)性的課題，這對我的影響非常大。做科研一定要有這種態(tài)度和信念?！北R培龍在接受《中國科學(xué)報》采訪時說。
tmFAP結(jié)構(gòu)模型藝術(shù)圖 西湖大學(xué)/朱丹陽攝
“一項(xiàng)杰作”
“膜蛋白是細(xì)胞膜系統(tǒng)上的蛋白，約占人類基因組的25%以上，現(xiàn)代藥物的靶點(diǎn)超過一半都是膜蛋白?！北R培龍向《中國科學(xué)報》解釋說。
在清華大學(xué)博士生研究期間，盧培龍師從施一公從事膜蛋白結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究，曾揭示了與阿爾茨海默氏癥發(fā)病直接相關(guān)的人源γ分泌酶復(fù)合物的首個精細(xì)三維結(jié)構(gòu)，為阿爾茨海默氏癥的發(fā)病機(jī)理提供了重要線索。
2015年加入貝克實(shí)驗(yàn)室后，盧培龍希望將蛋白質(zhì)設(shè)計手段應(yīng)用于膜蛋白設(shè)計。當(dāng)時，貝克實(shí)驗(yàn)室在蛋白質(zhì)設(shè)計以及結(jié)構(gòu)預(yù)測領(lǐng)域非常有名，但在膜蛋白設(shè)計方面尚未涉足。2018年，盧培龍首次成功精確設(shè)計了多次跨膜蛋白結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)了這一空白。
然而，僅有結(jié)構(gòu)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，盧培龍希望賦予人工膜蛋白真正的功能。2019年回國加入西湖大學(xué)后，他建立了獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步攻克這一問題。
盧培龍形象地比喻說，如果把細(xì)胞膜看作是分隔細(xì)胞內(nèi)外部環(huán)境的“城墻”，那么跨膜蛋白就如同鑲嵌在城墻上的一系列精密“城門”。它們可以選擇性地控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞，特異性地識別并允許一些小分子通過，控制膜內(nèi)外物質(zhì)能量信息的出入，保障細(xì)胞對外界環(huán)境的響應(yīng)，維系生命的運(yùn)轉(zhuǎn)。
許多跨膜蛋白的功能都依賴于與特定分子的相互作用實(shí)現(xiàn)。例如，位于眼睛視網(wǎng)膜的視紫紅質(zhì)蛋白，通過與維生素A的衍生物——視黃醛的分子結(jié)合，在光刺激下發(fā)生構(gòu)象變化，傳遞視覺信號，幫助大腦識別世界。
然而，從頭設(shè)計能夠精準(zhǔn)結(jié)合特定分子的跨膜蛋白，是蛋白質(zhì)設(shè)計領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。
問題的棘手性是多方面的，如膜環(huán)境的復(fù)雜性、膜蛋白表達(dá)和純化的困難，以及小分子結(jié)合蛋白的從頭設(shè)計問題尚未完全解決。
盧培龍團(tuán)隊迎難而上，用五年時間攻克了難題，從頭設(shè)計出世界上首個能夠特異性結(jié)合特定小分子的跨膜熒光激活蛋白。
國際審稿人高度評價這一成果，認(rèn)為“這是蛋白質(zhì)設(shè)計的一項(xiàng)杰作”，“為蛋白質(zhì)設(shè)計和結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域帶來了令人興奮的進(jìn)展”，具有“巨大應(yīng)用潛力”。
事實(shí)上，“杰作”背后，研究團(tuán)隊這幾年的路走得并不平坦。
盧培龍（右二）與團(tuán)隊中三位論文共同一作（從左至右分別為孫科、梁明福、朱璟熠）。西湖大學(xué)/朱丹陽攝
對戰(zhàn)“只有上帝才知道”
盧培龍和團(tuán)隊構(gòu)思出一個“兩步驟”設(shè)計策略：第一步，選擇熒光基團(tuán)HBC599作為目標(biāo)配體分子，設(shè)計出一種水溶性熒光激活蛋白（wFAP），用以驗(yàn)證設(shè)計的蛋白質(zhì)的基本構(gòu)型和功能；第二步，對其進(jìn)行調(diào)整，將親水表面改造為疏水表面，轉(zhuǎn)化為具有配體結(jié)合能力的脂溶性跨膜蛋白。
思路很清晰，但操作起來并不容易。為了將水溶性蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泄δ艿目缒さ鞍祝芯繄F(tuán)隊嘗試了多種方法。最初，他們采用傳統(tǒng)的能量算法，試圖通過突變氨基酸，將蛋白表面從親水性改為疏水性。然而，蛋白質(zhì)表面變化后，原本設(shè)計好的小分子結(jié)合口袋的形狀和化學(xué)結(jié)構(gòu)會改變，導(dǎo)致其無法有效結(jié)合配體?！斑@就好像在蛋白中間有一個大洞，需要在蛋白表面“施工”，還要求‘洞’不會坍塌，本身就非常困難?！北R培龍說。
為了突破瓶頸，他們借助AlphaFold2等人工智能（AI）蛋白質(zhì)預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)了設(shè)計跨膜蛋白的方法，利用梯度引導(dǎo)的幻覺設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了在保持結(jié)合口袋穩(wěn)定性的同時，優(yōu)化蛋白質(zhì)的表面殘基，成功創(chuàng)建了符合膜環(huán)境需求的跨膜疏水區(qū)。
由于熒光基團(tuán)HBC599在水溶液中沒有熒光，只有在與蛋白結(jié)合后，其構(gòu)象被固定，才會發(fā)出強(qiáng)烈的熒光信號?！叭绻吹綗晒饬疗穑蔷褪浅晒α恕Ｈ绻麤]有熒光，則說明還需改進(jìn)?！北R培龍說。
最終，經(jīng)過一系列調(diào)整與優(yōu)化，團(tuán)隊成功設(shè)計出與水溶性熒光激活蛋白wFAP核心結(jié)構(gòu)相同，且能與熒光基團(tuán)HBC599特異性結(jié)合的跨膜熒光蛋白tmFAP。其熒光亮度激活超過1600倍，與小分子的親和力達(dá)到納摩爾級別。
2023年9月，研究團(tuán)隊將論文投遞給《自然》。5個月的等待后，回復(fù)來了，卻“喜憂參半”。三位審稿人中，兩人都比較認(rèn)可這項(xiàng)研究，但其中一人同時提出了一個極具挑戰(zhàn)性的技術(shù)問題——要求研究團(tuán)隊證明跨膜熒光蛋白折疊成了所設(shè)計的三維結(jié)構(gòu)。
當(dāng)時研究團(tuán)隊解析了水溶性熒光激活蛋白的三維結(jié)構(gòu)，和設(shè)計模型一致，而且跨膜熒光激活蛋白和水溶性版本具有相同的熒光激活能力，關(guān)鍵氨基酸也一致，已經(jīng)從側(cè)面證明了這一問題。但跨膜熒光激活蛋白結(jié)構(gòu)解析困難，團(tuán)隊之前已經(jīng)進(jìn)行了大量嘗試，沒有成功。
其實(shí)，這位審稿人自己也知道這有多難，他將自己給出的問題形容為：“只有上帝才知道（in the lap of the gods）”。
不過，盧培龍和團(tuán)隊成員并未因此被“勸退”。盧培龍回憶起在博士訓(xùn)練期間，在導(dǎo)師施一公的指導(dǎo)下，致力于挑戰(zhàn)最難的結(jié)構(gòu)生物學(xué)問題。當(dāng)時，解析人源γ-分泌酶復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)的課題，在施一公實(shí)驗(yàn)室連續(xù)開展了十余年，曾被很多人認(rèn)為不可能解決的問題。然而，他們的不懈堅持最終克服了難題，相關(guān)研究發(fā)表于《自然》，并入選了2014年中國十大科技進(jìn)展新聞。
這一次，盧培龍再次決定挑戰(zhàn)自我。
由于新設(shè)計的跨膜蛋白較小，僅有170個氨基酸左右，不適用冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析。之前嘗試了大量晶體學(xué)研究，但沒有成功。似乎真的“只有上帝才知道”晶體是否生長。
為了走出困境，盧培龍和團(tuán)隊一次次開展頭腦風(fēng)暴，想出了破解之法——通過設(shè)計，將原本小的跨膜蛋白變大，同時保持穩(wěn)定性。這一思路最終讓團(tuán)隊利用冷凍電鏡解析了清晰的跨膜熒光激活蛋白的三維結(jié)構(gòu)，不僅突破了局限性，還創(chuàng)下了一個世界紀(jì)錄?！皳?jù)我所知，這可能是目前世界上最小的使用冷凍電鏡解析的配體-跨膜蛋白復(fù)合體結(jié)構(gòu)?！北R培龍說。
2024年12月9日，論文經(jīng)過多輪審稿和修改后被正式接收。這一天，恰巧是2024年諾貝爾獎頒獎典禮的前一天。彼時，盧培龍抵達(dá)瑞典，受邀參加貝克的諾貝爾獎紀(jì)念活動，見證歷史性的時刻。
這位曾經(jīng)的領(lǐng)路人對他說：“培龍，這是一項(xiàng)重要的研究，我很高興你沒有做簡單的課題。”
盧培龍與David Baker。受訪者供圖（攝于斯德哥爾摩，2024年12月9日，諾貝爾獎頒獎前一天）
跨膜熒光激活蛋白（tmFAP）三維結(jié)構(gòu)圖。盧培龍等供圖
用勇氣、興趣與堅持“開創(chuàng)無限可能”
在學(xué)校的個人主頁上，盧培龍寫著這樣一句話：“希望在所有西湖人的共同努力與見證下，西湖大學(xué)能成為進(jìn)行多學(xué)科交叉研究的理想殿堂，將奇思妙想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，開創(chuàng)無限可能！”
他和團(tuán)隊的新研究正是一件“讓不可能成為可能”的事情，這項(xiàng)研究不僅為跨膜蛋白的從頭設(shè)計提供了新范式，也為未來開發(fā)可遺傳編碼的生物探針和疾病治療手段打開了全新的大門。
“這項(xiàng)工作設(shè)計的熒光跨膜蛋白在成像應(yīng)用中具有巨大潛力，特別是跨膜變體，可以開發(fā)為傳感器，用于檢測膜電位?！币晃粐H審稿人如此評價。
成果背后，盧培龍與《中國科學(xué)報》分享了他一路走來的故事。其中，有人生道路上的幸運(yùn)，但更多的是對探索未來的勇氣，對科研的興趣和熱忱，以及面對困境時的堅持不懈。
2008年，還在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命學(xué)院讀大三的盧培龍揣著興趣，給彼時在普林斯頓大學(xué)的施一公教授發(fā)了一封郵件，分享了自己對其發(fā)表的一篇膜內(nèi)蛋白酶評述論文中觀點(diǎn)的思考。
這封郵件成為了盧培龍人生道路上的一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)。之后，盧培龍“幸運(yùn)地”以本科生的身份進(jìn)入施一公在清華大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室開啟科研生涯。在清華大學(xué)，盧培龍不僅接受了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)訓(xùn)練，還受到恩師施一公的耳濡目染，養(yǎng)成了良好的科研習(xí)慣。
“施老師常說的一句話是，‘The devil is in the details（魔鬼藏在細(xì)節(jié)中、細(xì)節(jié)決定成?。Ｋ麑蒲袊?yán)謹(jǐn)性和細(xì)節(jié)的把控至今仍影響著我?！北R培龍對《中國科學(xué)報》說。
博士畢業(yè)后，盧培龍決定探索蛋白質(zhì)設(shè)計，盡管當(dāng)時相關(guān)研究方興未艾，他對自己的未來并沒有“百分之百的把握”，但他還是想聽從內(nèi)心的召喚，嘗試新的方向。2015年，盧培龍成為貝克實(shí)驗(yàn)室首位在中國獲得博士學(xué)位的博士后研究員。
今年，是盧培龍加入西湖大學(xué)的第6年，跨膜熒光蛋白設(shè)計是他在建立實(shí)驗(yàn)室之后便開始的工作之一。他坦言，這一成果的背后，離不開西湖大學(xué)創(chuàng)造的自由和寬松的科研學(xué)術(shù)氛圍。
談及未來，盧培龍表示，將繼續(xù)圍繞膜蛋白設(shè)計進(jìn)行研究，利用膜蛋白感知外界信號的生物學(xué)機(jī)制，設(shè)計全新的蛋白質(zhì)工具，并將其應(yīng)用到基礎(chǔ)研究與疾病干預(yù)中。“我們希望能夠推動這種技術(shù)的跨學(xué)科應(yīng)用，在生物技術(shù)領(lǐng)域帶來更多的創(chuàng)新和突破。”他說。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-025-08598-8
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