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为解决计算设计蛋白质组装体多为静态结构的问题，华盛顿大学的研究人员对三种蛋白质组装体展开研究，发现亚基的结构灵活性可产生多种组装体，该成果为蛋白质组装体设计提供新思路。
在微观的生物世界里，蛋白质就像一个个精密的 “小工匠”，它们相互协作，构建出各种复杂的结构，执行着生命活动中不可或缺的任务。其中，蛋白质组装体（protein assemblies）的动态结构在许多生物过程中起着关键作用，比如保护生物大分子、控制化学反应的空间位置等。然而，现有的计算设计方法在设计新型自组装蛋白质时，大多聚焦于静态结构。这就好比搭建了一座只有固定形态的积木城堡，缺乏灵活性，无法满足生物体内多样化的需求。而且，天然蛋白质组装体的种类有限，还常常难以进行大幅度的改造，这大大限制了它们在生物技术和医学领域，如药物递送、酶封装和疫苗设计等方面的应用。因此，探索如何在蛋白质组装体设计中引入灵活性，成为了科研人员亟待解决的重要课题。
为了攻克这一难题，华盛顿大学（University of Washington）的研究人员展开了一项极具意义的研究。他们对三种通过计算设计的蛋白质组装体进行了深入探究，最终发现蛋白质构建模块（building blocks）中固有的结构灵活性，能够促使形成少量明确的结构，而非无序的聚集物。这一发现为蛋白质组装体的设计开辟了新的方向，有望创造出更具适应性的蛋白质纳米材料，满足特定的应用需求。该研究成果发表于《Nature Structural & Molecular Biology》杂志。
在这项研究中，研究人员运用了多种先进的技术方法。冷冻电镜（cryo-EM）能够在接近天然状态下观察蛋白质组装体的结构，为研究其形态提供了直观的依据；天然质谱（native mass spectrometry，nMS）则可用于确定蛋白质组装体的组成和相对丰度，帮助了解不同组装体的存在情况；分子动力学模拟（molecular dynamics simulations）通过计算机模拟蛋白质分子的运动，探究结构灵活性的来源。此外，研究人员还借助 AlphaFold2 和 Rosetta 软件对蛋白质结构进行预测和分析。
研究人员在设计新型蛋白质纳米颗粒时，发现部分蛋白质组装体的实际结构与设计模型存在偏差。以 KWOCAs 18、KWOCAs 70 和 I32-10 这三种蛋白质组装体为例，动态光散射（DLS）、尺寸排阻色谱（SEC）、小角 X 射线散射（SAXS）和负染电子显微镜（nsEM）等分析结果显示，它们的实际组装体在尺寸、结构特征等方面均与预期不符。通过冷冻电镜单颗粒重构和天然质谱分析，研究人员发现 KWOCAs 18 和 KWOCAs 70 各自形成了两种不同的组装体结构，而 I32-10 则形成了包括预期的二十面体结构在内的多种结构，这表明这些蛋白质组装体具有寡聚多态性（oligomorphism）。
为了探究这种寡聚多态性的来源，研究人员利用 AlphaFold2 和 Rosetta 软件对蛋白质结构进行分析，发现假设的柔性区域（junction 和 hinge 区域）的预测准确性低于核心区域，且这些区域更易暴露于溶剂中，这支持了柔性假设。分子动力学模拟结果表明，虽然蛋白质的单个结构域较为刚性，但三聚体臂之间存在较大波动，且主要的柔性来源是亚基内两个结构域之间的连接区域（junction region）。研究人员通过刚性体拟合实验进一步证实，引入连接区域柔性的构建模块能够重建实验观察到的组装体结构，而使用完美对称的刚性构建模块则无法实现，这充分说明了连接区域的柔性是寡聚多态性组装的关键因素。
研究人员还对可能存在的其他结构及其出现频率进行了研究。他们通过枚举具有规则五边形和正方形面的多面体结构，并计算相关几何特征，发现蛋白质构建模块的柔性和设计界面之间的相互作用是受限的，这使得蛋白质组装体只能形成少量特定的、明确的结构，而非多种多样的多态性组装体。为了验证调节结构灵活性可以控制多面体组装结果这一假设，研究人员对 KWOCA 70 的三聚体构建模块进行了重新设计，使其连接区域刚性化。实验结果表明，重新设计后的 KWOCA 70 D7 形成了预期的八面体几何结构，这一结果有力地支持了研究假设。
在讨论部分，研究人员指出，虽然目前的计算蛋白质设计方法大多关注刚性构建模块，但他们所研究的蛋白质组装体呈现出准对称（quasisymmetric）特征，其构建模块具有多种相关但不同的构象。与准对称病毒相比，这些组装体在对称性和形态上具有独特性，为探索以前无法设计的准对称结构空间提供了可能。这种独特的寡聚多态性为设计适应特定应用的蛋白质组装体带来了新的思路，例如设计类似网格蛋白（clathrin）的可适应组装体，用于封装膜结合囊泡或其他生物分子。研究人员提出的设计原则为进一步测试相关假设提供了基础，有望推动新型适应性蛋白质纳米材料的开发。
总的来说，这项研究揭示了蛋白质构建模块的结构灵活性在计算设计的蛋白质组装体中的重要作用，为蛋白质组装体的设计提供了新的设计原则和思路。它不仅让我们对蛋白质组装体的形成机制有了更深入的理解，还为未来在生物技术和医学领域的应用奠定了坚实的理论基础，开启了蛋白质纳米材料设计的新篇章。
