蛋白质语言模型推荐的E300突变使ChrimsonR产生了增强的光电流响应

《Scientific Reports》：Mutation E300 recommended by protein language models gives ChrimsonR amplified photocurrent response

　　

摘要

在视紫红质工程中，一个核心挑战是识别能够可靠改善所需功能特性的突变。然而，由于突变空间庞大以及电生理学筛选的通量有限，这一任务变得十分困难。提升视紫红质的特性（如光电流幅度和光敏度）有助于扩大其应用范围，使其能够用于低光照环境和深层组织研究。为此，我们采用了零样本蛋白质语言模型（ESM-1b/1v）来推荐可能的突变位点，并通过全细胞膜片钳电生理学实验验证了这17个突变变体（每个突变在6个细胞中进行测试）。尽管许多突变会降低视紫红质的功能，但这些模型不仅发现了已知的功能性残基，还发现了能显著提升功能的新替换位点；其中K176R突变与这些新替换位点协同作用，加速了离子通道的关闭。E300G和E300P两种突变分别将光电流幅度从66皮安（对照组）提高到305皮安（在635纳米波长下）和255皮安，并将575纳米波长下的半数有效浓度（\(\tau _{\textrm{off}}\)也从0.06秒延长到0.40秒。我们的研究结果表明，即使不进行特定任务的训练，蛋白质语言模型也能与电生理学检测方法结合使用，从而有效筛选出具有增强光电流功能的视紫红质变体。