蛋白质是自然界中最重要的化学物质之一。蛋白质的结构赋予它特定的化学和机械特性。预测蛋白质的结构可以让我们设计出全新的蛋白质和酶，帮助催化一系列反应。华盛顿大学的大卫·贝克教授在这个方向上取得了重大进展。
蛋白质几乎承载着你身体所有的基本功能。它们本质上就像机器。它们有非常精确的三维结构，这对它们发挥功能至关重要。我们正在努力制造新的机器，新的蛋白质机器来做新的事情。
克里斯:如果我们放大一种酶，问它是如何工作的，答案是什么?
大卫:你看，在外面，你可以看到支架将酶中的特定基团固定在非常精确的位置上，以进行化学反应。
克里斯-生意的目的是什么?脚手架是如何使化学反应像酶那样发生的呢?
大卫:它提供了一个非常精确的化学环境，在这个环境中，反应的限速步骤大大加快了。在正确的地方有所有正确类型的正电荷和负电荷来加速反应。
Chris -所以如果我们观察酶的活性位点，也就是酶进行化学反应的地方，你会看到蛋白质的一个区域它的形状正好可以容纳一个分子。然后，正确的化学基团出现在正确的位置来转移电荷，或者扭曲，或者移动分子，以使某些事情发生。
大卫:完全正确。
克里斯-所以大自然在这方面做得很好。我的意思是，我们的身体是一个化学反应的大袋子。你是说，我们可以借鉴大自然的做法，弄清楚这些东西是如何运作的，然后创造新的东西?
大卫:没错。所以我们可以利用自然界中蛋白质的基本原理，然后尝试制造新的蛋白质，这些蛋白质可以做新的事情，对社会有帮助，因为我们面临着许多自然界在生物进化过程中没有遇到的问题。
Chris -我想，这样做并不简单因为如果观察一种酶，你会发现蛋白质中有几百个氨基酸构成单元，自然界中存在着很多不同的氨基酸它们可能存在于任何一个位置。所以有很多可能的组合可以形成这种结构。那么如何解决这样的问题呢?
大卫:是的，你说得对。有一个天文数字的组合，可能的氨基酸序列的数量。我们解决这个问题的方法是关注化学反应将要发生的活性中心我们建立模型来确定完美的活性中心是什么，它会催化化学反应。一旦我们这样做了，我们试着想出一个支架来固定所有的关键基团来进行它们的反应。
Chris -你是怎么决定哪些化学基团应该放在哪里的?
大卫:我们根据量子化学计算和化学直觉来决定哪些化学基团应该去哪里，这些直觉是关于反应可能如何加速的。你实际上评论了几种可能的方法。例如，假设有一个反应，两个分子结合成一个分子。在溶液中，它们会彼此独立地漂浮它们很少会以正确的相对方向聚集在一起，比如在它们之间形成键。在设计好的酶中，你会为一个分子设计一个结合位点，为另一个分子设计一个结合位点，它们会被固定在正确的方向上这样它们之间就能形成键。
克里斯-你说的很简单，但我肯定不是。
大卫-不是的。基本上有两个问题。首先，我们做了一个关于如何加速反应的假设。我的意思是，在我给你的例子中，很直观地，如果你把这些分子聚集在一起并使它们保持正确的相对方向，你就会加速反应。但事实并非总是如此。第二个困难是，我们可能希望能够创造出结合位点，使两个分子保持相对于彼此的正确方向，但实现这一目标是一项艰巨的任务，需要掌握蛋白质折叠的规则。我们想设计一个氨基酸序列，使蛋白质以这样一种方式折叠，从而产生这两个结合位点。所以这两个都是具有挑战性的问题。
Chris -你刚才提到了氨基酸。大自然赋予我们一些我们在生物学上使用的东西。我的意思是，你在我体内发现的大多数蛋白质都应该含有20种常用氨基酸中的一种。如果你可以定制蛋白质，你就不会像自然界那样受到限制，所以你可以做出各种令人兴奋的反应。
大卫-没错。因此，我们现在正试图利用自然界的20种氨基酸来创造设计好的蛋白质。
Chris -你能用它做什么函数呢?
大卫:人们可以做的一件事是将通常不会与自然产生的蛋白质结合在一起的金属结合起来，比如钌，这种金属可以用于光捕获。你可以结合自然界中没有的强大的化学功能来进行更复杂的反应。
Chris -所以你基本上可以做自然不能做的化学如果你首先了解自然是如何产生它所做的结构的。除了酶之外，蛋白质还能做什么呢?因为蛋白质可以做各种各样的事情，它们不仅仅是催化反应。
大卫:蛋白质有很多不同的功能。它们的另一个作用是与其他蛋白质和目标紧密结合，例如，病毒和细菌进入你身体的方式。它们的表面有蛋白质可以识别你细胞上的蛋白质受体这是进入你身体的第一步。因此，分子识别是蛋白质的重要功能，这是我们正在积极研究的。我们最近设计了非常小的蛋白质来防止流感病毒感染细胞，我们现在正致力于制造小的蛋白质抑制剂来阻止许多不同类型的病原体进入细胞。
Chris -换句话说，通过了解微生物自身的结构来锁定目标细胞然后穿透，如果你了解了病毒或细菌在做什么，你就可以制造出一种互补的蛋白质或分子来打断这个过程因为它比细胞更能与目标细胞结合。
大卫:完全正确。
克里斯:那么我们离能够写出一些通用的食谱还有多远呢?人们会说:“对。我有一个特定的结构或特定的目标——无论什么微生物是这个月的味道——我想打断它的传染性。”你能做到吗?
大卫:嗯，这正是我们正在研究的，我们的目标正如你所描述的那样，创造一种通用的、快速的过程，在这种过程中，给定一种新的病原体，你可以指着它表面的一个区域说，“阻止它”，几周后，你就能阻止它了。我可以说，我们也试图让公众参与到这些努力中来，因为我们有一个名为“折叠它”的在线视频游戏，公众可以参与到酶设计和抑制剂设计中来。事实上，近几个月来，“折叠游戏”玩家在这两个领域都做出了令人兴奋的贡献。
克里斯:你用了多长时间来设计出一种定制的分子，可以像你描述的那样阻止流感?
大卫-我们花了一年半的时间。
克里斯-这涉及到全球数百万个计算机小时。
大卫:是的。
Chris -所以这不是一个要解决的小问题。
大卫:不，一点也不。但我们正处于起步阶段，我们希望随着我们对如何做到这一点了解得更多，我们将能够更快地做到这一点。
评论
添加注释