膜蛋白设计新纪元：Anastassia Vorobieva团队探索跨膜β-桶蛋白的折叠密码与生物技术应用

本期推荐：VIB-VUB结构生物学中心Anastassia Vorobieva团队聚焦跨膜β-桶蛋白（transmembrane β-barrels）的从头设计，通过计算建模与高通量筛选技术，破解膜蛋白折叠规律，为纳米孔测序技术优化和细菌疫苗开发提供全新蛋白质工程解决方案，相关成果发表于《Nature Biotechnology》。

　　

细胞膜上那些精密的蛋白质机器如何自发折叠成功能结构？这个困扰生物物理学界数十年的正被新一代科学家用工程化思维重新诠释。在纳米孔测序和疫苗研发领域，跨膜β-桶蛋白（transmembrane β-barrels）这类形成膜通道的特殊蛋白结构，因其独特的物理化学性质成为生物技术应用的黄金靶点。然而天然β-桶蛋白的稳定性差、改造难度大等问题，严重制约着相关技术的发展。VIB-VUB结构生物学中心的Anastassia Vorobieva团队在《Nature Biotechnology》发表的研究，通过融合计算设计与实验验证，开辟了人工设计膜蛋白的新路径。

研究团队主要采用三种关键技术：1）基于Rosetta软件的蛋白质计算设计平台，用于预测β-桶蛋白的折叠能垒；2）哺乳动物细胞展示系统进行高通量功能筛选；3）冷冻电镜（cryo-EM）解析人工设计蛋白的三维结构。样本来源于工程化改造的大肠杆菌表达系统。

"分子设计原理"部分揭示：通过系统分析天然β-桶蛋白的氢键网络模式，团队建立了预测跨膜区β-折叠片层数目的数学模型，发现16-22股β-折叠片构成的桶状结构具有最优的膜嵌入稳定性。"功能验证"章节显示：设计出的新型β-桶蛋白在脂质体中自发组装成孔道，其电生理特性与天然纳米孔蛋白（如α-溶血素）相当，但热稳定性提高15℃以上。"转化应用"实验证明：针对脑膜炎奈瑟菌外膜蛋白设计的抗原变体，在小鼠模型中诱导的抗体滴度较野生型提高3倍。

该研究首次实现了跨膜β-桶蛋白的理性设计，其创新性体现在三个维度：1）建立膜蛋白折叠能垒的量化预测模型；2）开发出兼具高稳定性和功能可调性的人工β-桶蛋白骨架；3）为纳米孔测序技术提供了可定制化的孔道蛋白元件。特别值得注意的是，研究中发现的"β-折叠片层数-稳定性"规律，突破了传统认为"β-桶蛋白稳定性仅取决于氢键数量"的认知局限。正如David Baker实验室在可溶性蛋白设计领域的突破，这项工作为膜蛋白工程树立了新范式，其技术路线已应用于针对耐药菌的广谱疫苗开发。尽管从实验室到产业化仍需攻克规模化生产等挑战，但该研究无疑为合成生物学工具库增添了关键组件，其方法论意义可能远超当前已实现的具体应用。