功能性淀粉樣蛋白的理性設計迎來新趨勢

原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/7/505104.shtm

7月17日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所鐘超團隊與中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心劉聰團隊在《化學學會評論》發表綜述文章，并當選為封面文章。

《化學學會評論》封面圖

文章綜合了合成生物學改造和結構調控兩方面的內容，詳細總結了功能性淀粉樣蛋白纖維的理性設計策略，并對未來如何將人工智能融入其設計過程進行了展望。該研究中，深圳先進院副研究員王新宇和上海有機所副研究員張勝男為共同第一作者。

1854，德國科學家魯道夫·魏爾肖在大腦切片中首次發現了淀粉樣蛋白，很長一段時間里，淀粉樣蛋白被認為與阿爾茲海默癥、帕金森癥等神經退行性疾病相關。直到近30年來，研究人員在細菌、真菌、植物、昆蟲乃至哺乳動物當中發現了參與水下粘合、信號傳導、病毒感染和記憶存儲等過程的“功能性淀粉樣蛋白”。

功能性淀粉樣蛋白在自然界中廣泛存在，可多級自組裝成不同尺寸的材料，具備可編程的功能活性、可以抵抗酶解和高溫的超強穩定性，以及優異的機械性能，并且通過不同的技術方案可以實現其組裝的精準調控。

隨著轉錄、群體感應、震蕩線路或邏輯門線路等合成生物技術的發展，為功能性淀粉樣蛋白纖維的分泌和組裝提供了時空分辨的調控手段。將物理或化學的相互作用與合成生物工具相結合，開發出的新型功能淀粉樣蛋白材料，已經被用于污水凈化、牙釉質修復、組織工程、病毒去除、半人工光合、超聲成像、生物治療等各類實際應用領域。

自淀粉樣蛋白發現以來，對其精細結構的探索從未停止，其基本結構是垂直于纖維軸的β折疊結構，并且擁有4.7 埃的徑向衍射和10 埃的赤道衍射。直到2005年才確定了淀粉樣蛋白纖維（Sup35）第一個原子分辨率的結構。隨著冷凍電鏡和固態核磁的發展，越來越多淀粉樣蛋白纖維的精細結構被清晰的鑒定了出來，對原子級別結構的理解也為淀粉樣蛋白纖維的理性設計提出了原子級別的調控方案。

正是由于合成生物學和結構生物學的發展，功能性淀粉樣蛋白纖維的設計出現了新的趨勢。

該綜述中，研究人員從工程設計角度、結構解析兩方面對功能性淀粉樣蛋白的設計和應用進行了深入探討。首先介紹了功能性淀粉樣蛋白的基本結構構型，并展示了兩種典型代表，即來自人類的RIRK3蛋白和來自細菌的CsgA蛋白。

隨后，作者概述了設計功能性淀粉樣蛋白的兩種基本策略，一是通過模塊化設計或雜化策略引入新的功能；二是利用基因線路動態調控活體淀粉樣蛋白纖維的自組裝。

合成生物學策略在淀粉樣蛋白設計中的應用，促進了具有不同嵌入活性的功能性淀粉樣蛋白纖維組裝體的發展，可用于體外和體內的眾多應用。然而，目前功能性原纖維的設計原則主要集中在初級蛋白序列上，而忽略了淀粉樣原纖維在原子水平上的三維結構。

因此，該綜述提出，結構解析技術的突破將進一步揭示淀粉樣蛋白纖維的結構多態性，并闡明了不同因子對淀粉樣蛋白組裝和解組裝的調控途徑和機制。原子級別的結構知識將極大的助力淀粉樣蛋白纖維的結構設計、多樣化生物功能的開發以及性質的調控。此外，AI技術的發展使得智能設計具備特定性質和功能的淀粉樣蛋白組裝體成為可能。

該文章提出，整合AI技術、結構調控和合成生物學等技術手段，功能性淀粉樣蛋白的智能設計將被廣泛用于解決環境、生物醫學和生物電子器件等領域的挑戰。