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Nature | 华盛顿大学David Baker团队从头计算设计金属蛋白酶

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蛋白质的酰胺键裂解酶从头设计,长期是蛋白质工程领域的重大难题。2026年10月15日,诺奖得主、华盛顿大学David Baker团队完成题为 Computational design of metalloproteases 的研究,该工作依托 RFdiffusion 深度学习工具,从头搭建具备锌离子活性中心的金属蛋白酶,完成 135 组设计分子的实验验证,实现疾病靶标蛋白的可控切割和治疗蛋白的条件激活。


研究团队选用 RFD2‑MI 工具,围绕锌离子催化活性位点生成全新蛋白骨架,同步优化蛋白酶和底物的氨基酸序列,他们对比仅引入锌离子、锌离子搭配催化水的两种建模方案,锌‑水共建模的设计样本,取得了 88% 的底物切割成功率。135 个设计中整体 36% 的分子可以在目标肽键位置完成底物水解,晶体结构解析数据显示,部分设计的三维构象,和计算预测模型可以实现高度重合,Foldseek 与 BLAST 检索结果,证明这些全新蛋白不存在和天然蛋白的序列、折叠同源性。

多个高活性设计的动力学测试,记录到最高达 10¹⁰倍的肽键水解速率提升,定点突变与分子动力学模拟,捕捉到催化残基预组织程度,是拉开设计酶与天然金属蛋白酶活性差距的关键因素,他们对高活性变体 Zn45 实施 4 处位点替换,改造后的 Zn45_v2,催化参数可以对标部分天然金属蛋白酶,每一个活性位点能够完成超过 3500 次底物周转。


研究团队将这套设计管线用于疾病相关靶标,获得能够切割 TDP‑43、血清淀粉样蛋白 A、β 淀粉样肽的可编程金属蛋白酶,TDPn3 可以识别全长 TDP‑43 蛋白,并且在蛋白单体和寡聚体形式下,生成预期分子量的酶切产物,他们构建被酶切序列连接的掩蔽型细胞因子 Neo2‑M‑Z 和 EGFR 拮抗剂,设计的金属蛋白酶可以特异性解除分子的掩蔽状态,实现细胞信号通路的生物正交调控,这套可编程蛋白酶,也为治疗、生物技术、环境修复领域,提供全新的蛋白质工具。

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