文｜杜珊妮 馮麗妃
2月20日，西湖大學(xué)盧培龍團隊在《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，博士畢業(yè)于清華大學(xué)生命學(xué)院，師從施一公院士。博士后期間，他在2024年新晉諾獎得主、美國華盛頓大學(xué)蛋質(zhì)設(shè)計先驅(qū)戴維·貝克（David Baker）的實驗室工作。
“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
1 “一項杰作”
“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)病機理提供了重要線索。
2015年加入貝克實驗室后，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，貝克實驗室在蛋白質(zhì)設(shè)計以及結(jié)構(gòu)預(yù)測領(lǐng)域非常有名，但尚未涉足膜蛋白設(shè)計。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，他建立了獨立實驗室，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。
盧培龍團隊迎難而上，用5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”。
事實上，“杰作”背后，研究團隊這幾年的路走得并不平坦。
盧培龍（右二）與團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
2 對戰(zhàn)“只有上帝才知道”
盧培龍和團隊構(gòu)思出一個“兩步驟”設(shè)計策略：第一步，選擇熒光基團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。“這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)出強烈的熒光信號?！叭绻吹綗晒饬疗穑蔷褪浅晒α?。如果沒有熒光，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，團隊之前已經(jīng)進(jìn)行了大量嘗試，沒有成功。
其實，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，在施一公實驗室連續(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
3 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，開創(chuàng)無限可能！”
他和團隊的新研究正是一件“讓不可能成為可能”的事情。這項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，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，給彼時在美國普林斯頓大學(xué)的施一公發(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。之后，盧培龍“幸運地”以本科生的身份進(jìn)入施一公在清華大學(xué)的實驗室開啟科研生涯。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)決定成敗）’。他對科研嚴(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，盧培龍成為貝克實驗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)計是他在建立實驗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?！彼f。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08598-8
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