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在蛋白质研究领域，设计蛋白质活性颇具挑战，尤其是通过精确的蛋白质 - 溶剂协同作用。研究人员围绕 G 蛋白偶联受体（GPCRs）展开研究，设计出 14 种膜受体。结果显示，设计的受体活性与网络可塑性相关，部分受体稳定性和活性提升。这为工程化蛋白质提供新方法。
在生命的微观世界里，蛋白质如同精密的分子机器，执行着各种重要功能。其中，蛋白质的催化和变构作用依赖于原子层面的精准协调，涉及氨基酸残基、配体、溶剂以及蛋白质效应分子之间的相互作用和运动。然而，尽管科学家们一直在探索蛋白质的奥秘，但如何通过精确调控蛋白质与溶剂之间的协同作用来设计蛋白质的活性，一直是困扰学界的难题。
G 蛋白偶联受体（GPCRs）作为信号转导的关键角色，是最大的膜受体家族和重要的药物靶点。它们像细胞的 “信号天线”，能感知各种细胞外刺激，并激活细胞内的信号通路。但目前对于 GPCRs 信号转导过程中溶剂所起的作用，以及如何通过设计优化其功能，仍知之甚少。在这样的背景下，来自瑞士联邦理工学院（EPFL）等机构的研究人员决心攻克这一难题，他们的研究成果发表在《Nature Chemistry》上，为蛋白质工程领域带来了新的曙光。
为了解开蛋白质 - 溶剂协同作用的谜团，研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们运用计算设计的方法，通过构建人工的蛋白质内部、蛋白质 - 配体以及蛋白质 - 溶剂分子相互作用网络，来设计具有新型稳定性和信号功能的蛋白质。研究人员以腺苷 A2A受体（A2AR）为模型，设计了一系列具有不同信号活性和热稳定性的膜受体。
研究人员运用了多种关键技术方法。在计算设计方面，他们借助 IPHoLD 软件进行受体构象建模，通过与相关天然蛋白质结构的同源性比对，构建出受体在不同功能状态下的模型。利用 SPaDES 软件设计蛋白质结构和相互作用，搜索能形成高效溶剂介导相互作用网络的氨基酸和溶剂分子组合。在实验验证阶段，他们将设计的受体在哺乳动物细胞中表达、纯化，通过 G 蛋白激活实验、受体稳定性测定等实验，评估设计受体的功能。
研究结果令人瞩目：
- 设计原则验证：研究人员定义了 “静态 - 可切换” 相互作用，发现水分子能通过连接极性残基促进这种相互作用，而离子分子则会稳定特定构象。基于此，他们制定了三条设计标准：比较活性态和非活性态的构象稳定性、评估水介导氢键连接性以及分析蛋白质 - 离子相互作用强度。通过这些标准筛选出的设计受体，其活性和稳定性与理论预测相符，验证了设计原则的有效性。
- GPCRs 活性编程：研究人员将该方法应用于腺苷感应 GPCR 的设计，设计并实验表征了多个受体变体。结果发现，水介导的静态 - 可切换相互作用的数量与受体活性密切相关。Hyd_high 设计的受体具有更高的活性和稳定性，而 Hyd_low 设计的受体活性较低。这表明水介导的相互作用是受体变构信号响应的重要决定因素。
- 溶剂介导变构的机制洞察：通过对特定氨基酸位点突变的研究，发现 Asp2.50 和 Ser3.39 等保守极性残基在溶剂介导的相互作用网络中起关键作用，它们的改变会影响受体的激活。研究还发现，受体激活对某些位点的网络重连具有一定耐受性，只要维持关键的极性连接，就能保持受体的激活功能。
- Hyd_high7 结构揭示新受体活性形式：研究人员成功结晶并解析了 Hyd_high7 的结构，发现它在没有 G 蛋白结合的情况下，采用了一种未预见的活性样构象。与天然 GPCR 结构相比，Hyd_high7 的变构螺旋间极性接触网络有显著差异，这表明研究人员设计的受体具有独特的变构信号传导机制。
研究结论表明，研究人员通过计算设计方法成功设计出具有特定功能的膜受体，Hyd_high7 代表了 GPCR 家族中的一种新的活性形式。该研究揭示了溶剂介导的相互作用网络在 GPCR 信号转导中的重要作用，为理解蛋白质功能提供了新的视角。研究还表明，蛋白质设计的相互作用空间比天然蛋白质更为广阔，为蛋白质工程开辟了新的方向。这项研究成果不仅有助于深入理解受体信号转导、蛋白质识别和催化机制，还为开发新型蛋白质功能，如设计结合抑制剂、酶、生物传感器等，提供了有力的工具，有望在细胞治疗和合成生物学等领域发挥重要作用。
