10月9日，2024年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予David Baker、Demis Hassabis和John Jumper，以表彰他們?cè)诘鞍踪|(zhì)設(shè)計(jì)以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)領(lǐng)域做出的杰出貢獻(xiàn)。
近年來，AI藥物迅猛發(fā)展，其中，蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)無疑是AI設(shè)計(jì)藥物中的重頭戲與熱點(diǎn)。該技術(shù)不僅能設(shè)計(jì)針對(duì)不可成藥靶點(diǎn)的藥物和自然中不存在的蛋白質(zhì)，還大大縮短了藥物研發(fā)的周期。
被譽(yù)為“上帝之手”的華盛頓大學(xué)教授David Baker是該領(lǐng)域的佼佼者，發(fā)CNS發(fā)到手軟。當(dāng)然，AI設(shè)計(jì)能力再強(qiáng)，也需要通過實(shí)驗(yàn)手段去表征設(shè)計(jì)的蛋白。比如，使用基于生物層干涉技術(shù)（BLI）的Octet® 非標(biāo)記分子互作系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)計(jì)的蛋白與靶點(diǎn)的親和力。目前，David Baker課題組已使用Octet® 檢測(cè)蛋白親和力發(fā)表了近80篇文章，其中CNS正刊文章就超過20篇！(部分文章列表見文末)
這里，陳老師就介紹一下他今年發(fā)表的幾篇CNS文章。
pM級(jí)別親和力的新冠抑制劑[6]
在當(dāng)時(shí)新冠病毒肆虐時(shí)，David Baker課題組用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)了針對(duì)新冠病毒S蛋白的小蛋白抑制劑，通過一系列分子進(jìn)化以及生化學(xué)方法檢測(cè)后，大部分的抑制劑的中和新冠病毒活性達(dá)到了幾十pM級(jí)別的IC50，其中一個(gè)蛋白抑制劑達(dá)到11pM的IC50，是當(dāng)時(shí)知道所有新冠抑制劑中最強(qiáng)的！文中進(jìn)行了兩種設(shè)計(jì)路線：
方法1：圍繞ACE2與S蛋白結(jié)合的α-螺旋結(jié)構(gòu)域設(shè)計(jì)
方法2：與S蛋白的RBD結(jié)構(gòu)域?qū)觼碓O(shè)計(jì)
圖1. 圖A為方法1示意圖，圖B為方法2示意圖
技術(shù)路線如下
圖2. *AHB1親和力高，但是穩(wěn)定性差，通過AHB1結(jié)構(gòu)再進(jìn)行一次設(shè)計(jì)與篩選，獲得AHB2前體。
圖3. Octet®親和力測(cè)試：第一個(gè)圖是AHB1前體的動(dòng)力學(xué)測(cè)定（μM級(jí)別親和力），第二個(gè)圖是AHB2的動(dòng)力學(xué)測(cè)定（nM級(jí)別親和力）。
方法2的第一輪篩選的11個(gè)候選物（LCD1-8前體）的親和力為100nM-2μM，而通過分子進(jìn)化后的多數(shù)LCB的親和力在1-20nM，其中LCB1，LCB3親和力低于1nM。
圖4. Octet® 親和力測(cè)試：第一個(gè)圖是方法2獲得的11個(gè)候選物的動(dòng)力學(xué)測(cè)定，解離都較快，親和力相對(duì)較低；第二個(gè)圖是親和力成熟后的LCB1親和力測(cè)試（低于1nM親和力）。
LCB1也是當(dāng)時(shí)已知中和新冠病毒能力最強(qiáng)的抑制劑。
結(jié)合擴(kuò)散模型設(shè)計(jì)出的高親和力蛋白[1]
本文結(jié)合擴(kuò)散模型（RF diffusion）和用深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了從頭設(shè)計(jì)合成蛋白質(zhì)的目標(biāo)，設(shè)計(jì)成功率提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。針對(duì)已知的五個(gè)靶標(biāo)，僅需不到100個(gè)候選即可達(dá)到納摩爾(nM)級(jí)別的親和力（全部用BLI進(jìn)行檢測(cè)）。此外，研究人員還設(shè)計(jì)了一種蛋白與其底物（流感血凝素）的復(fù)合物，并使用冷凍電鏡解析其結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，冷凍電鏡解析的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)的模型幾乎完全一致，證明了該模型的準(zhǔn)確性。為進(jìn)一步驗(yàn)證生成的蛋白是否具有結(jié)合活性，研究人員繼續(xù)使用Octet® 對(duì)這兩種蛋白的結(jié)合進(jìn)行驗(yàn)證。
圖5. (a-c) 從頭設(shè)計(jì)靶標(biāo)蛋白的結(jié)合蛋白，針對(duì)五個(gè)靶標(biāo)，從頭設(shè)計(jì)結(jié)合蛋白，BLI 響應(yīng)信號(hào)值≥陽性對(duì)照1/2為候選;（b）RF diffusion成功率高出兩個(gè)數(shù)量級(jí); (d) 親和力最高的結(jié)合物，結(jié)合KD為28nM; (e-h) 結(jié)構(gòu)學(xué)驗(yàn)證。
研究團(tuán)隊(duì)表示，RF diffusion是對(duì)目前蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)方法的一次綜合改進(jìn)，能夠產(chǎn)生總長度達(dá)600個(gè)氨基酸殘基的結(jié)構(gòu)，其復(fù)雜性和準(zhǔn)確度均超越以往。研究團(tuán)隊(duì)還表示，進(jìn)一步改進(jìn)該方法或能設(shè)計(jì)出復(fù)雜程度更高的全新蛋白質(zhì)。
超螺旋配對(duì)的高親和力蛋白
針對(duì)內(nèi)在無序區(qū)的重復(fù)性蛋白和多肽，本文開發(fā)了一種基于超螺旋配對(duì)的從頭設(shè)計(jì)蛋白的通用性方法。該方法能以大約 20% 的成功率高效設(shè)計(jì)出多肽結(jié)合蛋白，這些蛋白具備低至皮摩（pM）級(jí)別的高親和力、高特異性、高熱穩(wěn)定性以及高精度。此外，該方法還被證實(shí)可以靶向更廣闊的非重復(fù)性多肽區(qū)域，并可延伸至人源蛋白的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。
這種高親和力、高特異性就是通過Octet® 來進(jìn)行檢測(cè)的。
圖6. 將生物素化的目標(biāo)肽加載到Octet® 生物傳感器上，并和設(shè)計(jì)的binder進(jìn)行結(jié)合解離，紅色矩形框表示相匹配的結(jié)合；可見，設(shè)計(jì)的binder與目標(biāo)多肽的良好特異性
三位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主幾乎實(shí)現(xiàn)了人類曾經(jīng)認(rèn)為不可能的夢(mèng)想。幾十年前，設(shè)計(jì)全新的蛋白質(zhì)以及預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，被視為無法完成的任務(wù)。然而在今天，得益于三位科學(xué)家的成果，我們利用人工智能破解了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的密碼，這是一場(chǎng)重大的革命。
無論哪個(gè)行業(yè)都離不開AI，蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)也一樣，盡管蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的各種模板和命令還在探索階段。但無論AI從頭設(shè)計(jì)怎么前沿，相互作用親和力還是需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，蛋白也需要表達(dá)純化才能成為最終產(chǎn)品。所以各位實(shí)驗(yàn)室技術(shù)大牛們不用怕失業(yè)啦！
Octet® 為什么如此受歡迎呢？
Octet® 用于親和力驗(yàn)證的優(yōu)點(diǎn)在于:
非標(biāo)記Direct Binding是趨勢(shì)，不需要標(biāo)記和信號(hào)放大，可以更好的保持反應(yīng)物的活性
快速測(cè)定親和力，提供結(jié)合速率常數(shù)和解離速率常數(shù)更加定量化地表征分子互作
無洗滌步驟，可測(cè)弱親和力（解離快）
寫入了美國藥典，文章>160,00篇，認(rèn)可度廣
萬金油技術(shù)，可以用與檢測(cè)DNA，小分子，蛋白質(zhì)等各種生物分子
操作簡便，耗材及維護(hù)成本低
《生物層干涉技術(shù)應(yīng)用文集第三版》
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