基于选择性过滤器几何结构的钙离子通道自下而上设计新策略

《Nature》：Bottom-up design of Ca2+ channels from defined selectivity filter geometry

本研究针对传统离子通道设计缺乏精确控制选择性过滤器原子级结构方法的难题，来自某研究团队的研究人员开展了基于RFdiffusion平台的Ca2+通道从头设计研究，成功构建出具有特定配位几何的对称寡聚通道，实验证实其具备Ca2+选择性传导功能，为离子通道功能验证和应用开发提供了创新性技术路线。

　　

通过从头设计方法成功构建了具有钙离子选择性的通道蛋白，这些通道能在细胞中正确组装并介导钙离子电导。天然离子通道在生物系统中发挥着关键作用，其工程化版本已被广泛应用于化学遗传学工具和传感设备领域。虽然蛋白质设计技术已能够生成含孔道的跨膜蛋白，但由于缺乏原子精度定位金属配位残基的方法，针对特定目标离子的选择性过滤器设计——这一天然离子通道的核心特征——始终面临技术瓶颈。

本研究采用自下而上的RFdiffusion（基于扩散模型的蛋白质设计）策略，从预设的选择性过滤器残基几何构型出发，成功设计了具有不同配位数和孔道入口几何结构的对称寡聚钙离子通道。这些设计蛋白能组装形成均一的含孔道颗粒，膜片钳实验表明：无论是四聚体还是六聚体配位构型，所设计通道对钙离子的电导率均高于钠离子及其他二价离子（如锶离子和镁离子），且该选择性会随着过滤器残基的突变而消失。

低温电子显微镜（cryo-EM）结构解析显示，六聚体钙离子通道的实际结构与设计模型高度吻合，证实了该设计方法具有原子级精度。这项自下而上的设计策略不仅为验证过滤器几何结构与离子选择性关系的假说提供了直接构建途径，更为开发多种应用场景下的选择性离子通道绘制了技术蓝图。