这对许多人来说可能是违反直觉的，但金属离子在生命中扮演着重要的角色，执行一些最重要的生物过程。想想血红蛋白——一种金属蛋白，负责通过红细胞将氧气运送到身体各器官。金属蛋白是一种至少与一种金属离子结合的蛋白质。以血红蛋白为例，这种金属就是铁。
为了使金属蛋白正常工作，它们必须与正确的金属离子配对——血红蛋白只能与铁离子一起工作。然而，蛋白质与金属的结合通常是由一个严格的顺序控制的，称为欧文-威廉姆斯系列，它规定铜离子应该比其他金属离子更能与蛋白质结合。
换句话说，如果一个细胞含有等量的不同金属离子，大多数细胞蛋白质和其他成分会与铜结合，在此过程中堵塞细胞机制。这就是为什么生物要花费相当大的能量来严格控制细胞中游离铜的含量。
现在，加州大学圣地亚哥分校物理科学系的研究人员报告了一种新的蛋白质设计策略，可以避开欧文-威廉姆斯系列。这一发现于本周早些时候发表在《自然》杂志上。
化学与生物化学教授Akif Tezcan和博士后学者Tae Su Choi设计了一种灵活的蛋白质，可以选择性地将其他金属离子结合在铜上，为设计新型功能性蛋白质和金属螯合剂铺平了道路。Choi和Tezcan发现，与非铜金属的选择性结合需要人工蛋白呈现一种非常特定的氨基酸和几何形状组合，以区别于铜。这一发现需要一种不同寻常的设计方法。
“蛋白质设计通常包括试图制造一个可以执行特定功能的离散蛋白质结构，比如催化。这种方法具有固有的确定性，遵循一种设计-一种结构-一种功能的顺序，”Tezcan说。“最好的情况是，你得到了设计好的结构和功能。然而，这种方法并没有为发现新的设计原则或意外结果留下太多空间，这些可能比最初计划的更重要。”
特兹坎和崔采用了概率方法。一开始，他们设计的蛋白质并没有被设计成具有一种可以选择性地与某种金属结合的单一结构。他们创造了一个灵活的系统，可以以多种方式排列自己，以不同的几何形状绑定不同的金属离子。正是这种灵活性使他们获得了他们最初没有计划的结果。
Choi说:“在分析这些系统时，我们看到蛋白质在铜之前与钴和镍离子结合，这不是事物的自然秩序。”“我们创造了一个假设，并测试了新的变体。经过广泛的分析，我们意识到我们可以构建一个不适合铜的蛋白质环境。”
“这是一个设计路径而不是目标的例子，”Tezcan解释说。“我个人认为这是解决蛋白质设计问题的一种更令人兴奋的方式。通过在设计中融入灵活的元素，我们保留了不同结果的可能性，以及我们之前不可能知道的新设计原则。”
选择性金属结合和蛋白质设计的研究比更好地理解生命的基本原理更重要。它还可以为环境修复过程中更有效的过程奠定基础，例如当某些金属需要被隔离在受污染的水中时。蛋白质设计也是药物研发的重要组成部分。
“我们对这个问题很感兴趣，‘我们能否设计出能够选择性地与金属结合或以进化尚未发明的方式进行催化反应的蛋白质?”崔说。“只是因为生物学没有做到这一点，并不意味着这是不可能的。”
参考:
崔泰洙，F. Akif Tezcan。克服对我的普遍限制 蛋白质设计的Tal选择性。自然,2022;DOI: 10.1038 / s41586 - 022 - 04469 - 8推荐阅读：广州助孕中心哪家医院好
