西湖大學(xué)，2026年首篇Science

北京時(shí)間1月2日凌晨3點(diǎn)，Science在線發(fā)表了西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院曹龍興實(shí)驗(yàn)室，和西湖大學(xué)醫(yī)學(xué)院解明岐實(shí)驗(yàn)室合作的最新成果。他們從頭設(shè)計(jì)出了一款能夠控制蛋白質(zhì)“組隊(duì)”的“遙控器”——可被小分子藥物精準(zhǔn)調(diào)控的蛋白質(zhì)多聚化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用口服小分子藥物控制蛋白質(zhì)二聚體、三聚體的“組隊(duì)”（組裝）與“解體”（解聚）——現(xiàn)在，科學(xué)家可以像按下“開關(guān)”一樣，精準(zhǔn)操控蛋白質(zhì)的“聚”與“散”。

這項(xiàng)技術(shù)不僅在基礎(chǔ)研究層面實(shí)現(xiàn)了突破，未來，它還能為基因治療、智能細(xì)胞療法、腫瘤精準(zhǔn)干預(yù)、可編程疫苗和合成生物系統(tǒng)等具體的應(yīng)用領(lǐng)域提供安全、靈活的蛋白質(zhì)新工具，邁向“編程生命”新時(shí)代。

上線截圖

難題

人為“指揮”蛋白質(zhì)“組隊(duì)”，是個(gè)難題。

要精準(zhǔn)控制蛋白質(zhì)，目前，小分子藥物是最理想的“遙控信號(hào)”。多數(shù)情況下，它能口服、進(jìn)細(xì)胞、起效快，還能通過停藥隨時(shí)撤掉。

但在自然界中，能被小分子藥物“指揮”聚散的蛋白質(zhì)，本身就少得可憐。

并且，此前人為改造的“組隊(duì)”系統(tǒng)，不僅能實(shí)現(xiàn)的形態(tài)有限，還時(shí)不時(shí)出問題：有的，小分子本身有毒性，可能會(huì)引起副作用，不適合長期服用；有的，小分子服用后會(huì)很快被身體代謝，沒法發(fā)揮功用。

近些年大火的人工智能，比如能預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的AlphaFold，能幫上忙嗎？答案暫時(shí)也是否定的。現(xiàn)有的AI技術(shù)很難預(yù)測(cè)小分子藥物是如何“指揮”蛋白質(zhì)進(jìn)行“組隊(duì)”的，也就是“看不清”這個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，自然也無法找到合適的“遙控”方案……

破題的線索，或許還得回歸到蛋白質(zhì)身上。

有那么一群科學(xué)家，是蛋白質(zhì)界的“設(shè)計(jì)師”，他們專注從頭設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)，靠計(jì)算，從零“造”出自然界不存在的蛋白質(zhì)。

西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院PI曹龍興，正是其中一員。在華盛頓大學(xué)蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)研究所David Baker課題組做博后時(shí)，他專注于蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)方法的開發(fā)與應(yīng)用，典型的“作品”是靜態(tài)結(jié)合蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)，即針對(duì)任意自然界蛋白質(zhì)，從頭設(shè)計(jì)一個(gè)像牛皮糖一樣的蛋白牢牢地黏上去。

但在2021年加入西湖大學(xué)后，他和他的團(tuán)隊(duì)決定開啟一個(gè)新方向：從靜態(tài)轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)！他們團(tuán)隊(duì)核心的科研信念——做科研不能只走“好走的路”，得做真正有創(chuàng)新性、更“酷”的事！

傳統(tǒng)“靜態(tài)”設(shè)計(jì)，一旦完成，蛋白的結(jié)合模式、功能便相對(duì)固定，缺乏“按需調(diào)控”的靈活性。這支年輕的團(tuán)隊(duì)很快達(dá)成共識(shí)，瞄準(zhǔn)了一個(gè)更難、也更有變革性的方向。

“我們想用各種方法讓蛋白質(zhì)‘動(dòng)起來’，‘響應(yīng)’外界的刺激（光、離子、小分子等），設(shè)計(jì)出這樣的‘蛋白質(zhì)開關(guān)’。”曹龍興解釋說。

這些“開關(guān)”不是單純“炫技”，他們判斷，它們?cè)诤铣缮飳W(xué)、靶向性免疫細(xì)胞療法，甚至是未來生命的從頭合成等方向，會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

金啟涵，是曹龍興實(shí)驗(yàn)室的第一位博士生，他從導(dǎo)師手中接過了這個(gè)全新的方向。2021年9月，就在曹龍興入職西湖一個(gè)月后，課題正式啟動(dòng)。

這個(gè)勇敢“吃螃蟹”的隊(duì)伍，踏上了征途。

蛋白質(zhì)“組隊(duì)遙控器”

既然天然蛋白質(zhì)不聽“使喚”，那不如做一款新的？

金啟涵想到，或許可以設(shè)計(jì)一系列蛋白質(zhì)，在小分子藥物的“指令”下，能像樂高積木一樣精準(zhǔn)“組隊(duì)”成不同的形式（形成多種類型的蛋白質(zhì)多聚體）。

這套系統(tǒng)，就像“擴(kuò)展塢”平臺(tái)，多聚體上能夠“外連”上生物體內(nèi)不同功能的天然蛋白質(zhì)（也可以是酶、基因開關(guān)），達(dá)到“指揮”這些個(gè)體“聚集在一起”的目的。

如果你對(duì)具體的細(xì)節(jié)感興趣，以下是大致的過程——

科學(xué)家先把人工設(shè)計(jì)的蛋白，和它要“連接”的目標(biāo)蛋白的基因連在一起，送進(jìn)細(xì)胞；由此，細(xì)胞就能生產(chǎn)出“人工設(shè)計(jì)蛋白-天然蛋白”零部件。

平時(shí)它不工作，只有吃下一片小藥片后，藥物進(jìn)入體內(nèi)，多個(gè)這樣的“零部件”才會(huì)聚在一起，這也就意味著多個(gè)天然蛋白可以被“遠(yuǎn)程遙控”地“組隊(duì)”在一起。

在設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)前，還有一步：找到合適的藥物小分子。

它需要安全（對(duì)人體無毒或副作用小）、絕緣（即在體內(nèi)不會(huì)參與多余的反應(yīng)）、具有對(duì)稱性（結(jié)構(gòu)規(guī)整，更便于設(shè)計(jì)結(jié)合的蛋白質(zhì)）。

金剛烷胺，隨即進(jìn)入了他們的視野。這是一種常見的可口服的抗病毒藥物，不僅有著幾十年的歷史，還有著種種化學(xué)上的優(yōu)勢(shì)（易溶解，有可結(jié)合的疏水區(qū)等）。

接下來，終于到了蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)流程了：他們開發(fā)了全新的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)工具包ProBuilder，利用西湖大學(xué)超算集群進(jìn)行了大規(guī)模計(jì)算設(shè)計(jì)，然后挑選了一批高質(zhì)量的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

金啟涵至今記得清清楚楚，那時(shí)候?qū)嶒?yàn)室剛起步，儀器還沒拆完箱、試劑瓶堆在角落，大伙兒擠在僅夠轉(zhuǎn)身的空間里艱難地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2021年12月，他第一次嘗試表達(dá)設(shè)計(jì)好的蛋白質(zhì)，雖然很多蛋白都可以被表達(dá)，但是后續(xù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)他們都沒有受金剛烷胺“指揮組隊(duì)”的能力。

現(xiàn)在，作為實(shí)驗(yàn)室首個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，首批蛋白的電泳結(jié)果被他們特意裝裱掛在實(shí)驗(yàn)室的墻上，作為“創(chuàng)業(yè)初期艱辛不易的紀(jì)念”：動(dòng)態(tài)蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)，真不是簡單的拼積木。

博士生金啟涵與實(shí)驗(yàn)室第一塊“失敗”的膠圖

失敗了，“設(shè)計(jì)師”們就退回上一步，進(jìn)一步優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)方法，重新設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)，表達(dá)、再實(shí)驗(yàn)……沒想到，這場(chǎng)“死磕”一磕就是3年。

實(shí)現(xiàn)

在最早的設(shè)計(jì)中（即“單金剛烷胺誘導(dǎo)三聚體”，mAITs），團(tuán)隊(duì)希望所設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)可以被單個(gè)金剛烷胺分子“指揮三人成團(tuán)”。

經(jīng)過兩年的努力，他們終于看見了一點(diǎn)點(diǎn)曙光，獲得了可以被“指揮組隊(duì)”的蛋白。然而，所設(shè)計(jì)的24個(gè)蛋白質(zhì)中僅有一個(gè)蛋白展現(xiàn)微弱的“遙控組隊(duì)信號(hào)”。

既然單個(gè)分子的“組隊(duì)力”不夠，改成兩個(gè)呢（即“雙金剛烷胺誘導(dǎo)三聚體”，dAITs）？

這一次，成了！

在48個(gè)候選蛋白中，有27個(gè)“殺出重圍”，進(jìn)一步，他們找到了“種子選手”：dAIT17。

實(shí)驗(yàn)儀器清楚顯示，加入金剛烷胺后，這種新設(shè)計(jì)的蛋白真的聚成了穩(wěn)定的三聚體！更讓人激動(dòng)的是，通過解析原子級(jí)別的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)跟設(shè)計(jì)的模型幾乎一模一樣，連兩個(gè)金剛烷胺結(jié)合的位置都分毫不差。

“遙控器”基本成型！

金剛烷胺誘導(dǎo)的同源三聚體蛋白（示意圖）

此時(shí)，已是2023年的秋天。但這個(gè)團(tuán)隊(duì)還不想就此止步。

基于他們?cè)诘鞍踪|(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)，他們將“種子選手”作出“升級(jí)”，優(yōu)化了一個(gè)關(guān)鍵界面位點(diǎn)，得到了新的蛋白質(zhì)dAIT17s。dAIT17s更敏感、可以響應(yīng)更低濃度的金剛烷胺，同時(shí)在沒有小分子藥時(shí)，絕對(duì)不會(huì)“粘”在一起。

至此，“遙控器”已完成。

在生命活動(dòng)的很多過程里，也會(huì)需要不同的蛋白質(zhì)“組隊(duì)”，比如A蛋白和B蛋白結(jié)合。曹龍興團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步，讓蛋白質(zhì)的“組隊(duì)”變得更靈活，因此，AMA10“遙控器”誕生了。這是一套“異源二聚體工具”，簡單說就是讓兩個(gè)不一樣的蛋白，只在加了金剛烷胺時(shí)“組隊(duì)”。

“設(shè)計(jì)師”們上了巧力，把“三人成團(tuán)”的“遙控器”進(jìn)行了巧妙的改造：從dAIT17的三聚體里“拆”出大蛋白（AMA10L）和小蛋白（AMA10S）。沒藥時(shí)，大小兩個(gè)蛋白質(zhì)像陌生人一樣互不搭理；加藥后，金剛烷胺就像“媒人”，瞬間讓它們粘在一起。實(shí)驗(yàn)證明，AMA10系統(tǒng)的靈敏度非常高。

乘勝追擊，曹龍興團(tuán)隊(duì)繼續(xù)迭代出了一把新“遙控器”，即異源三聚體系統(tǒng)，也就是讓三個(gè)不同的蛋白“組隊(duì)”。實(shí)現(xiàn)方法依然是借助上一步的“遙控器”，進(jìn)一步把AMA10L設(shè)計(jì)拆成了兩個(gè)更小的蛋白：AMA10M和AMA10N。AMA10M、AMA10N、AMA10S三個(gè)蛋白，只有同時(shí)存在，且遇到金剛烷胺時(shí)，它們才會(huì)組隊(duì)，缺一個(gè)都不行。

金剛烷胺誘導(dǎo)的異源二、三聚體蛋白

這下，蛋白質(zhì)“組隊(duì)”盡在掌握之中了！

驗(yàn)證

不過，距離完美，還差一步。

以上的實(shí)驗(yàn)都是在試管內(nèi)進(jìn)行的，當(dāng)遷移到細(xì)胞、生物體內(nèi)，這些“遙控器”還能那么靈嗎？

2024年初春一次午飯的碰面，為這個(gè)課題引入了關(guān)鍵的跨學(xué)科合作團(tuán)隊(duì)：醫(yī)學(xué)院PI解明岐和他的生物系統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)室。

解明岐2019年加入西湖，師從著名哺乳動(dòng)物合成生物學(xué)大師Martin Fussenegger教授，長期從事合成生物學(xué)和代謝疾病治療相關(guān)領(lǐng)域研究，正是幫助曹龍興團(tuán)隊(duì)進(jìn)行下一步驗(yàn)證的“不二人選”。他推薦了曾安平實(shí)驗(yàn)室博士生王昱開，一起加入了這個(gè)課題。

研究團(tuán)隊(duì)在西湖大學(xué)超算中心機(jī)房合影（左起為曹龍興、金啟涵、王昱開、解明岐）

很快，這支聯(lián)合團(tuán)隊(duì)就看到了令他們驚艷的結(jié)果。

在細(xì)胞里，他們進(jìn)行了幾項(xiàng)可能的應(yīng)用功能實(shí)驗(yàn)，都非常理想——

他們搭建了一個(gè)“基因開關(guān)”：把dAIT17s和轉(zhuǎn)錄因子連在一起，加入金剛烷胺（藥物簡稱AMA）后，dAIT17s聚成三聚體，從而瞬間激活目標(biāo)基因；沒藥時(shí)，基因安安靜靜，幾乎沒有“誤啟動(dòng)”。

金剛烷胺調(diào)控的基因開關(guān)

他們實(shí)現(xiàn)了“可調(diào)控的蛋白質(zhì)定位”：先把AMA10L固定在細(xì)胞內(nèi)的某個(gè)位置上，加入金剛烷胺后，這個(gè)AMA10L會(huì)把AMA10S也拉到一起，由此，AMA10S可以出現(xiàn)在細(xì)胞內(nèi)的“任意位置”。

金剛烷胺調(diào)控的蛋白質(zhì)定位

同時(shí)，還可以讓設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)在細(xì)胞里被金剛烷胺誘導(dǎo)產(chǎn)生凝聚體，讓蛋白從“液體”聚集成“固體”，調(diào)控細(xì)胞內(nèi)蛋白的相變。要知道，此前蛋白質(zhì)凝聚屬于比較難干預(yù)的過程。

金剛烷胺調(diào)控的凝聚體形成

在小鼠身上的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)，更令他們振奮！

研究人員給小鼠靜脈注射了攜帶AMA10系統(tǒng)和報(bào)告基因的質(zhì)粒（它可以幫助顯示生物過程是否已經(jīng)發(fā)生），然后給小鼠喂了少量金剛烷胺，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小鼠肝臟里的報(bào)告基因真的被激活了！

金剛烷胺調(diào)控AMA10系統(tǒng)在小鼠體內(nèi)實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)精準(zhǔn)啟動(dòng)

這意味著，未來做基因治療，患者可能不再需要天天吃藥、打針，而只要打一針攜帶治療基因的載體。這種載體只有在金剛烷胺出現(xiàn)時(shí)會(huì)被激活，需要時(shí)，口服一片金剛烷胺，就能精準(zhǔn)啟動(dòng)；想停止治療時(shí)，停藥就行。

解明岐介紹說：“目前，小鼠體內(nèi)能工作的、符合臨床與安全標(biāo)準(zhǔn)的基因開關(guān)，其實(shí)很少。” 這款新型的“基因開關(guān)”，安全、可控、便捷，前景可期……

想象一下：未來某一天，我們能讓蛋白質(zhì)拼成特定的納米機(jī)器，用小分子指揮它去清理血管里的斑塊；或者讓抗癌蛋白只在腫瘤部位特異性“組隊(duì)”，精準(zhǔn)殺癌而不傷正常細(xì)胞。

這一切，都始于曹龍興團(tuán)隊(duì)和解明岐團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的這把蛋白質(zhì)“組隊(duì)遙控器”。

小分子藥物調(diào)控的蛋白質(zhì)多聚化系統(tǒng)示意圖

曹龍興團(tuán)隊(duì)前期已經(jīng)開發(fā)了光控蛋白質(zhì)遙控器，這次又更近一步，實(shí)現(xiàn)了自然界不存在的多聚小分子蛋白質(zhì)遙控器的從頭設(shè)計(jì)。

接下來，他們還將繼續(xù)設(shè)計(jì)更復(fù)雜的調(diào)控方式，提高“遙控器”的靈敏性，并探索它在醫(yī)藥、臨床上的轉(zhuǎn)化，比如影響某些細(xì)胞的生與死，從而在癌癥治療、免疫療法等方面實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用；在他們?cè)O(shè)想的未來，每一個(gè)生命過程都能被多種方式精準(zhǔn)“遙控”，讓人類實(shí)現(xiàn)對(duì)生命本身的精細(xì)掌控，甚至進(jìn)行全新創(chuàng)造。這樣的未來，還會(huì)遙遠(yuǎn)嗎？

科學(xué)的浪漫，不就是把“不可能”，一步步變成“我做到了”嗎？

西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生金啟涵和博士后王昱開為本文的共同第一作者，西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員曹龍興和醫(yī)學(xué)院研究員解明岐為本文的共同通訊作者。本項(xiàng)目得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFA1303700，2021YFC2301401）、科技部（2020YFA0909200）、國家自然科學(xué)基金（32370989）、西湖大學(xué)合成生物學(xué)與綜合生物工程中心和西湖教育基金會(huì)的資助。感謝西湖大學(xué)晶體學(xué)平臺(tái)、流式平臺(tái)和質(zhì)譜平臺(tái)對(duì)樣品分析的幫助；感謝西湖大學(xué)高性能計(jì)算中心對(duì)計(jì)算流程的幫助；感謝西湖大學(xué)顯微成像平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供技術(shù)支持。感謝西湖大學(xué)工學(xué)院曾安平教授在課題中提供的支持與幫助。這項(xiàng)工作是在上海同步輻射光源BL19U1線站（2024-NFPS-PT-501172）的支持下進(jìn)行的。

https://doi.org/10.1126/science.ady6017

編輯、審核：石瑾鵬

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