通过最大化氢键来实现超稳定蛋白质的计算设计

《Nature Chemistry》：Computational design of superstable proteins through maximized hydrogen bonding

氢键网络增强的蛋白质通过计算设计实现超机械强度和热稳定性， unfolding force达1000 pN以上，较天然蛋白提升400%，在150°C下仍保持结构完整并形成稳定水凝胶。

　　

摘要

氢键是维持蛋白质结构稳定的基本化学作用力，尤其是在β折叠结构中，这种结构使得蛋白质能够抵抗机械应力以及极端环境条件。受到天然具有剪切氢键的机械稳定蛋白质（如肌动蛋白和丝胶蛋白）的启发，我们通过最大化承载力的β链中的氢键网络，从头设计出了超稳定蛋白质。我们采用了一种结合人工智能引导的结构与序列设计以及全原子分子动力学模拟的计算方法，系统性地扩展了蛋白质的结构，将主链上的氢键数量从4个增加到了33个。所得到的蛋白质具有超过1000皮牛（pN）的展开力，比天然肌动蛋白免疫球蛋白结构域强约400%，并且在暴露于150摄氏度的高温后仍能保持结构完整性。这种分子层面的稳定性直接体现在宏观性质上，例如这些蛋白质能够形成热稳定的水凝胶。我们的工作提出了一种可扩展且高效的计算策略，用于工程化制造坚固的蛋白质，为极端环境下的蛋白质系统的理性设计提供了一种通用方法。