美国和欧洲的研究人员已经合成了类似于细胞膜上天然离子通道的人工纳米孔蛋白。该团队已经展示了如何将这些纳米孔嵌入到检测医学相关物质的传感器中。
离子不能自然地通过脂质。然而，细胞的有效功能需要它们穿过细胞膜，这就是称为离子通道的成孔蛋白质发挥作用的地方。美国西雅图华盛顿大学蛋白质设计研究所所长大卫·贝克说:“想象一下，在脂质内部创造一个充满水的空间，离子可以像通过普通溶液一样通过。”
这些特征可能对检测毒素等物质有用，因此研究人员试图修改天然离子通道的形状和大小。然而，这种方法的灵活性是有限的。一个问题是，深度学习算法，如Deepmind的AlphaFold和蛋白质设计研究所(Institute for Protein Design)自己的RoseTTAFold，训练数据相对较少。比利时布鲁塞尔自由大学的Anastassia Vorobieva解释说:“我们体内大约30%的蛋白质落在膜上，但在实验室里研究膜蛋白非常困难，因为它们需要溶解在脂质中。”“所以我们对这些蛋白质是如何折叠和发挥功能的了解并不多。”
设计了具有不同孔径和形状的人工β桶蛋白
现在，由Baker和Vorobieva领导的一个团队已经使用了一种基于生物物理学的方法，利用被称为β-链的相互连接的多肽链从零开始设计成孔的蛋白质研究人员在2021年生产了八股“β-桶”，但这些桶太窄，无法容纳中央导电通道。研究人员推断，增加相互交织的链的数量会拓宽通道。
假设的最优设计中，所有亲水基团都面向内，几乎从来没有形成理想的结构，因为蛋白质太容易聚集而形成团块。因此，研究小组加入了一些向内的疏水性基团来阻碍结构的形成。Vorobieva说:“这非常有趣，因为我们使用这些工具的方式与其他人非常不同。”“我们真的需要将这些次优位置引入工具中，这些工具只是为了找到最佳位置。”
研究人员制作了由10股、12股和14股组成的β桶，这些β桶的孔隙逐渐变大，形状也有所不同。然后，他们测量了β-桶掺入的磷脂膜上的电导率。华盛顿大学(University of Washington)的马祖德(Sagardip Majumder)也参与了这个项目，他说:“这种膜的两侧都有电极，你可以把蛋白质放进去。”“当有一个孔时，离子可以通过，就会产生电流。”
伪环蛋白被设计成与具有生物学意义的特定小分子结合
研究人员随后展示了这些纳米孔蛋白如何用于检测小分子，如胆酸(肝病的一种指标)和抗癌药物甲氨蝶呤在他们最近开发的基于LigandMPNN深度学习算法的帮助下，他们设计了结合特定小分子配体的“伪环”蛋白质。然后，他们将这些伪环蛋白分成碎片，并将它们附着在纳米孔蛋白上。
在目标分子存在的情况下，小分子配体会结合所有的片段，并将假环蛋白粘在一起。这些重新组装的蛋白质会暂时阻断它们所连接的β桶离子通道。通过测量离子通道电导率的变化，研究人员可以检测到目标分子的存在及其浓度。
将一个小分子与传感器的伪环蛋白组分结合，可以阻止离子通过纳米孔
研究人员希望这种方法能找到各种各样的应用，比如目前需要常规临床监测的药物和毒素的家庭检测。领导传感器设计工作的华盛顿大学(University of Washington)的林娜·安(Linna An)说:“你真的不希望(甲氨蝶呤的)水平超过某个值，否则你就会(死)，所以我们为它制造了一种粘合剂，希望把它变成一种传感器。”
哈佛医学院的尼古拉斯·波利齐(Nicholas Polizzi)没有参与这项工作，他称赞人造纳米孔的设计是一个“重大改变”。“了解如何让这些蛋白质折叠成膜的蛋白质生物物理学的数量……这似乎是一个非常酷的难题，(Vorobieva的团队)已经解决了，或者至少在很大程度上解决了。”
Polizzi指出，即使使用研究人员的LigandMPNN算法，设计配体结合伪环蛋白的命中率也相当低。尽管如此，他说这是“一个非常酷的创新，尝试把这些东西粘在阿纳斯塔西娅的纳米孔上，使它们成为小分子的传感器”，并将这项工作描述为“原理的证明”。
