膜蛋白研究迎來史詩級加強！David Baker利用AI從頭設計蛋白，實現無需去垢劑的膜蛋白提取

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

膜蛋白嵌入在細胞膜中，位于細胞內外的交界處，作為第一響應者，感知信號，調控分子進出細胞，并使細胞能夠快速適應環境的變化。然而，膜蛋白位于細胞的脂質膜中，其表面具有疏水性，會排斥水分子，這迫使科學家必須使用去垢劑來提取膜蛋白——這一過程通常繁瑣且需多步操作，需要大量優化，導致膜蛋白難以提取、純化和結構解析，從而阻礙了針對膜蛋白的治療藥物和疫苗的研發。

2026 年 7 月 2 日，蛋白質設計先驅、2024 年諾獎得主David Baker教授在Science期刊發表了題為：Membrane protein solubilization and structure determination using de novo–designed proteins 的研究論文。

該研究開發了基于 AI 的從頭設計蛋白質方法——WRAP（Water-soluble RFdiffused Amphipathic Protein），這就像給膜蛋白定制一個“蛋白外套”，包裹在膜蛋白的疏水表面，使其無需去垢劑即可具備熱穩定性和水溶性。

研究團隊針對單體和寡聚 β-桶狀外膜蛋白以及螺旋多次跨膜蛋白分別設計了 WRAP，并進一步證明了這些 WRAP 包裹的膜蛋白能夠正確折疊，并適用于結構測定、生化實驗以及體外應用。例如，通過該方法獲得了分枝桿菌孔蛋白 MspA 八聚體的 2.95 ? 分辨率冷凍電鏡結構（這也是首個使用非去垢劑方法得到的膜蛋白高分辨率結構）；以及通過該方法成功制備了梅毒螺旋體抗原的可溶版本，為梅毒疫苗研發奠定了基礎。

David Baker教授表示，膜蛋白極其重要，但眾所周知其難以處理。WRAP為我們提供了一種在水中保持其完整性的方法，這為膜蛋白研究及其治療應用開辟了許多新的可能性。

膜蛋白在信號傳導、感染和藥物反應中發揮著核心作用，但由于其疏水表面在膜外不穩定，這類蛋白仍是難以生產和研究的蛋白質之一。由于這些蛋白嵌入脂質膜中，其提取依賴于去垢劑，這一過程繁瑣且需多步操作，需要大量優化，常常會損害蛋白穩定性，并使后續分析更加復雜。以往用于繞過脂雙層來溶解膜蛋白的策略包括突變暴露于脂質的氨基酸殘基，或將膜蛋白結構域嫁接到可溶性支架上。將膜蛋白與兩親性蛋白載脂蛋白 AI（Apo-AI）以及可溶性誘餌蛋白融合，成功實現了溶解，但目前尚未通過該方法獲得結構信息。

在這項最新研究中，研究團隊通過設計WRAP（Water-soluble RFdiffused Amphipathic Protein，Wrap正好是包裹的意思）方法，提出了解決上述長期難題的通用方案。WRAP 可包裹膜蛋白并屏蔽其疏水區域，使其在無需去垢劑的情況下仍能保持可溶性和穩定性，并可在水中結合配體。

我們可以把 WRAP 理解為專門給膜蛋白定制“蛋白外套”，其內側是疏水的，剛好匹配膜蛋白跨膜區的疏水表面，兩者能通過疏水相互作用緊密貼合；其外側則是親水的，暴露在水溶液環境中，能夠在水里穩定存在。其整個設計流程就像一場精密的分子拼圖——先用 RFdiffusion 從頭生成理想化的螺旋或 β 桶狀骨架，尺寸剛好匹配目標膜蛋白的跨膜區大小；把目標膜蛋白放到骨架中心，再微調骨架形狀，讓它和目標蛋白的表面完美互補；用專門優化過的 SolubleMPNN 設計骨架的氨基酸序列，確保它自己能正確折疊，還能和目標蛋白穩定結合；最后用 AlphaFold2 預測結構，篩選出折疊置信度高、相互作用界面質量好的設計，進行實驗驗證。

WRAP 的從頭設計流程

最關鍵的是，WRAP 是通過基因融合的方式直接連在膜蛋白上的，并直接在大腸桿菌細胞質中表達，從而簡化了膜蛋白的純化過程，解決了基于去垢劑方法的高成本和復雜性。此外，該方法不需要對膜蛋白本身的天然氨基酸序列做任何修改——這保留了膜蛋白原本的結構和功能，避免了傳統改造方法可能帶來的活性喪失。

使用 WRAP 方法，研究團隊制備了多種膜蛋白的可溶版本，包括單體及寡聚體的 β-桶狀外膜蛋白以及螺旋多次跨膜蛋白，驗證了 WRAP 的通用性——

1、細菌外膜 β 桶蛋白，研究團隊首先測試了大腸桿菌的經典外膜蛋白 OmpA，過去它需要去垢劑提純，還要復性才能用。而 WRAP 包裹的 OmpA，直接在大腸桿菌細胞質的可溶組分里就能純化出來。冷凍電鏡結構顯示，WRAP 并沒有改變 OmpA 的天然結構，它還能正常結合天然配體幾丁二糖，抗體識別表位也完全保留。

2、梅毒病原體抗原，梅毒螺旋體（Treponema pallidum）的外膜蛋白是重要的疫苗候選靶點，但它們幾乎沒法在大腸桿菌里表達，也沒有一個實驗解析的結構。研究團隊直接用 AlphaFold2 預測的結果設計 WRAP，成功獲得了 4 種梅毒抗原的可溶版本。用感染梅毒的兔子血清做實驗，這些 WRAP 包裹的抗原能特異性識別免疫反應產生的抗體——這意味著未來可以用它們來篩選單克隆抗體、開發亞單位疫苗，不用再受限于難表達的天然蛋白。

3、螺旋多次跨膜蛋白，接下來是更難搞的螺旋型多次跨膜蛋白，這類蛋白占了藥物靶點的絕大多數。GlpG 蛋白酶，是一種嵌在內膜里的“菱形蛋白酶”，過去用去垢劑提純后，77℃ 就會變性，而 WRAP 包裹的 GlpG 能耐受 95℃ 高溫，還能正常催化底物切割，活性位點的結構完全保留。CXCR4 受體，是一種人類 G 蛋白偶聯受體（GPCR），癌癥藥物的重要靶點，全長 CXCR4 很難通過 WRAP 直接可溶，研究團隊設計了一個截短版“迷你 CXCR4”，只保留配體結合口袋相關的跨膜區，用 WRAP 包裹后，它不僅熱穩定性大幅提升，還能高親和力結合天然配體 CXCL12 和小分子拮抗劑，完美適配藥物篩選的需求。

4、寡聚膜蛋白，為了證明 WRAP 能支持結構解析，研究團隊選擇了分枝桿菌孔蛋白 MspA 的八聚體跨膜區作為目標。這個蛋白是納米孔測序的核心元件，過去的結構解析全靠去垢劑。這次研究團隊使用 WRAP 包裹后，得到了 2.95 ? 分辨率的冷凍電鏡結構，和設計模型的偏差只有 0.5-0.7 ?，幾乎和天然結構完全一致。這也是首個用非去垢劑方法得到的膜蛋白高分辨率結構，直接證明了 WRAP 不會干擾膜蛋白的天然構象。

利用從頭設計的 WRAP 進行膜蛋白溶解

總的來說，與以往的方法不同，WRAP 能夠在不損害結構和功能特征的前提下，獲得膜蛋白。WRAP 具有廣泛的應用前景，包括促進生化表征、結構測定、藥物發現，以及開發保留抗原表位的可溶性蛋白用于疫苗設計。研究團隊表示，預計基于 AI 的蛋白質設計技術的進步將降低計算成本，提高可溶性預測的準確性，并減少需要測試的設計數量。

從 2020 年 AlphaFold2 破解蛋白質結構預測難題，到 2023 年 RFdiffusion 實現 AI 從頭設計蛋白，再到今天 WRAP 解決膜蛋白的溶解難題，AI 正在一步步打破傳統分子生物學的邊界。這項研究不僅給膜蛋白研究提供了一件趁手“工具”，更讓我們看到了一個可能性——未來，我們可以像搭積木一樣，用 AI 設計各種功能蛋白，解決生物醫藥領域的諸多難題。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr3817