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刚刚,华裔科学家刘如谦团队再发Nature:迈向AI蛋白质工程通用范式

华裔科学家刘如谦团队利用AI模型ProteinMPNN重新设计天然蛋白酶,获得高稳定性变体,再结合实验室连续进化技术,成功开发出针对非天然靶点且兼具高稳定性、高催化效率和高特异性的蛋白酶。该“先AI设计再定向进化”的范式为蛋白质工程提供了通用方法。

本文目录

    最近,刘如谦团队又在Nature上发了一篇新文章。这次他们玩了个组合拳:先用AI(ProteinMPNN)把天然蛋白酶重新设计一遍,让它变得更稳定、表达更高,然后拿这个AI设计版作为起点,用实验室连续进化(PACE)去逼它切割原本不认识的靶点。结果呢?还真搞出了针对非天然靶点、同时兼具高稳定性、高催化效率和高特异性的蛋白酶。


    论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-026-10820-0

    具体来说,他们先用AI模型ProteinMPNN对天然蛋白酶进行序列重设计——保留识别和催化必需的关键残基,其他位置让AI自由发挥,再用AlphaFold2评估结构。得到一批更稳定的变体后,再把这些AI设计变体和天然酶一起,放到PACE系统里并行进化,看谁能更快学会切割新底物。结果很有意思:基于AI设计的BoNT/E不仅保留了新底物特异性,还大幅提升了表达、稳定性和可进化性;修复了PTEN靶向变体原有的稳定性问题;甚至还进化出了高特异性的ataxin-2靶向蛋白酶。

    这种“先AI设计稳住骨架,再定向进化折腾功能”的思路,对整个蛋白质工程领域都有启发。它可能成为未来开发新酶、新型治疗蛋白乃至其他功能蛋白的通用范式。

    AI发现了新进化起点

    以往做定向进化,大家通常直接拿天然酶开刀。但天然酶稳定性有限,经不起太多折腾;而经过人工改造或实验室进化得到的蛋白,又常常面临稳定性、活性或特异性不够的尴尬。

    刘如谦团队的做法是:别急着从天然酶开始,先让AI算出一个更稳定、表达更高的版本,再把这个计算设计版本作为自动化连续进化的起点。流程大致分两步:

    1. 计算设计:获得稳定化BoNT蛋白酶

    他们以BoNT/E为模型,用ProteinMPNN重新设计序列,保留底物识别和催化关键残基,其他位置由AI重新生成,然后用AlphaFold2评估结构。对AI设计变体进行表达、纯化和活性测试后发现,多数变体都能切割天然底物SNAP25,其中D1、D2和D3三个变体表现最突出,最高催化效率达到野生酶的2.8倍。

    为了排除模型依赖,他们还用PROSS重新设计了BoNT/E,同样获得表达、稳定性和酶动力学改善的变体。把这套流程拓展到BoNT/F和BoNT/X,结果也类似——保留或提高了催化效率。

    2. PACE进化:获得新底物切割能力

    拿到稳定化变体后,他们比较了AI设计变体D3与天然酶作为进化起点的优劣。让两类起点分别适应三个越来越难切割的新底物(415、413、412),用PACE持续筛选更高效的变体。结果很明确:AI设计变体在每个新底物上都获得了更高活性,尤其在最难底物412上,成功率完胜。突变互换实验还揭示了一个关键点:部分有益突变只在AI设计背景下有效,放到天然酶里就不灵了。

    随后,他们尝试让BoNT/E去切割一个与神经退行性疾病相关的蛋白——ataxin-2。从天然酶和AI设计蛋白酶分别出发,用PACE筛选ataxin-2切割变体,并通过酶学和细胞实验验证活性与选择性。


    图|计算蛋白质序列设计与连续进化整合流程概览,以及稳定化 BoNT/E 蛋白酶的重新设计。

    比“天然酶”更好

    整体来看, AI设计版的蛋白酶在保留新底物特异性的同时,表达水平、稳定性和可进化性都上了一个台阶。具体结果如下:

    1. 改善已有进化蛋白酶

    AI重新设计可以直接提升已有进化酶的表达和稳定性。之前有个PTEN切割变体E(4130)A2,表达低、稳定性差,是个老大难。研究团队把它的进化突变移植到AI设计变体D1、D2和D3中,结果新蛋白酶既保留了PTEN切割能力,又不会重新切割天然底物SNAP25。表达水平更是大幅提升:在大肠杆菌中提高了2.2到5.2倍,在HEK293T细胞中,D2和D3变体表达量提高超过24倍,PTEN切割产物分别增加4.5倍和3.9倍。


    图|将PACE进化得到的BoNT/E突变与ProteinMPNN重新设计结合,可提高重新编程PTEN切割型BoNT/E蛋白酶变体的表达水平和活性。

    2. 提升新底物进化效果

    AI设计起点在新底物进化中表现更优。比较D3和天然BoNT/E在三个新底物上的PACE结果,D3更容易进化出高活性变体,稳定化设计明显改善了后续进化效果。最难的底物412上,天然酶四组实验只有两组成功,而D3四组全部成功;D3变体的PACE回路激活达到16到20倍,天然酶变体只有约10倍。突变互换实验再次确认:部分有益突变只在AI设计背景下有效。

    3. 扩展蛋白酶进化空间

    重新设计起点让蛋白酶有机会获得完全不同于天然酶的突变组合。以底物413为例,D3在进化过程中富集了一些天然酶中很少见的突变组合,说明AI设计后的蛋白酶可以探索不同的功能序列空间。


    图|基因型分布,以及中等难度进化过程中起始点特异性突变组合的变化。

    为了验证其他设计蛋白酶是否也能作为有效起点,他们测试了ProteinMPNN设计变体D4和PROSS设计变体PROSS1。结果显示,D4和PROSS1都能在三个新底物上通过PACE选择,并形成不同于天然酶和D3的进化基因型。其中D4的初始催化速度虽然比天然酶低约20倍,但进化后仍获得了与其他设计起点相当甚至更高的活性。总体来看,三种重新设计起点产生的进化变体,活性都优于天然酶起点。


    图|替代重新设计起点的进化,以及对进化基因型在所有起始背景中功能的综合评估。

    4. 进化ataxin-2靶向蛋白酶

    序列重新设计起点产生了更快、特异性更强的ataxin-2切割变体。ataxin-2是一种与神经退行性疾病相关的蛋白,BoNT/E原本不会切割它。他们选择其1181-1201位残基作为新切割区域(这一区域与异常蛋白聚集有关)。相比从天然酶出发得到的变体,D3进化变体切割ataxin-2的速度提高了1.4到1.7倍,同时完全检测不到对天然底物SNAP25的切割。在HEK293T细胞中,序列重新设计起点得到的变体表达更高,产生的ataxin-2切割产物更多,副产物也更少。


    图|将序列重新设计蛋白酶与野生型蛋白酶分别重新编程,使其优先切割治疗相关的非天然靶标,而非天然靶标。

    还有一些不足

    当然,这套方法虽然前景不错,但研究团队自己也指出了几个需要进一步验证的地方:

    第一,目前主要是在BoNT/E蛋白酶上验证的。这类蛋白酶恰好适合通过序列重新设计提高稳定性,而且功能也能在PACE中被选择。其他蛋白是否也能享受同样的红利,还需要更多数据说话。

    第二,ataxin-2靶向蛋白酶目前还处于工具酶和早期应用验证阶段。用它来在蛋白水平上破坏致病性ataxin-2包涵体,到底能不能改善神经退行性疾病相关表型,还有待后续研究去回答。

    第三,安全性是绕不开的问题。尤其是切割非天然靶标时,除了提高目标切割效率,未来还需要尽可能减少对天然底物的切割,并系统评估潜在脱靶效应、细胞毒性、递送方式和免疫安全性。

    更多技术细节,详见原论文。

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