会见从零开始设计蛋白质的生物化学家

在华盛顿大学一间时髦的生物化学实验室里，博士后杨夏正在观察发黄的粘稠物——大肠杆菌的液化残骸——从一块白色棉花糖状的物体中渗出。“这并不是很令人兴奋，”他说。

虽然在细菌中培养蛋白质然后用块状的白色树脂作为过滤器来纯化它们并不令人着迷，但最终产品却非同寻常。在夏的树脂中积累的是一种完全人工的蛋白质，与自然界中任何蛋白质都不同，它可能正是第一种通用流感疫苗的理想底盘。

夏的导师大卫·贝克称这种设计蛋白质为“死星”。在他的电脑上成像，它的结构与臭名昭著的《星球大战》超级武器有些相似。尽管是微观的，但按蛋白质标准来说它却是巨大的：一个由许多互锁部件组成的球体。

“我们已经找到了一种方法，可以将这些积木以正确的角度组合在一起，形成这些非常复杂的纳米结构，”贝克解释说。他计划在外表面镶嵌一系列流感病毒株的蛋白质，以便免疫系统学会识别它们并准备抵御未来的入侵者。一个死星将携带20种不同的流感病毒株。

贝克希望这套组合能涵盖所有可能的流感突变组合。这种包含当前和未来流感毒株的一体化预告片可以取代每年的注射：接种死星疫苗后，您的血液中就已拥有所需的抗体。

当贝克押注于设计蛋白质以战胜流感时，其他人则押注于大卫·贝克。

在彻底改变了蛋白质（在每个自然生物体的每个细胞中执行关键任务的分子）的研究之后，贝克现在正在从头开始设计它们，以改进自然界。2017年末，开放慈善项目向他的华盛顿大学蛋白质设计研究所捐赠了超过1000万美元，用于开发死星并支持Rosetta，这是他于1990年代构思的软件平台，用于发现蛋白质是如何组装的。Rosetta不仅使贝克的实验室能够推进基础科学并开创新型疫苗，还能够为遗传性疾病开发药物、检测毒素的生物传感器以及将废物转化为生物燃料的酶。

他的团队目前约有80名研究生和博士后，贝克与他们所有人保持着持续联系。他挑战他们的假设，调整他们的实验，同时维持一个平等的工作环境，让思想可以来自任何人。他称自己的工作为“公共大脑”。在过去的二十五年里，这个大脑已经发表了近450篇科学论文。

生物技术公司安进（Amgen）发现研究高级副总裁、加州理工学院前生物学教授雷蒙德·德沙耶斯（Raymond Deshaies）说：“大卫正在我们眼前创造一个全新的化学领域。”“他取得了一次又一次的‘第一次’。”

自然的折纸

当贝克在哈佛大学学习哲学时，他上了一门生物课，这门课教会了他所谓的“蛋白质折叠问题”。那一年是1983年，科学家们仍在努力理解一项由生物化学家克里斯蒂安·安芬森在60年代早期进行实验，该实验揭示了地球上所有生命的基本组成部分比任何人想象的都要复杂。

这个实验相对简单。安芬森将核糖核酸酶（一种分解RNA的蛋白质）样品与一种使其失活的化学物质——变性剂——混合。然后他让变性剂蒸发。蛋白质又开始发挥作用，仿佛什么都没发生过。

这个简单实验之所以如此引人注目，是因为蛋白质分子中的氨基酸以三维形式折叠，使得折纸看起来像儿童游戏。当变性剂展开安芬森的核糖核酸酶时，它可以以无数种方式重新折叠，形成像折纸鹤和纸飞机一样截然不同的结构。就像折叠方式决定了一张纸能否飞过房间一样，只有一种折叠模式会产生功能正常的核糖核酸酶。所以这个难题是：蛋白质是如何“知道”如何正确折叠的呢？

“安芬森表明，结构和活性信息都存在于氨基酸序列中，”加州大学洛杉矶分校的生物化学家大卫·艾森伯格说，他自1960年代以来一直研究蛋白质折叠。“当时希望能够利用序列信息来获取三维结构信息。结果，这比预期的要困难得多。”

贝克对蛋白质折叠和生物学其他未解之谜足够感兴趣，于是他转了专业并申请了研究生院。“我以前从未在实验室工作过，”他回忆道。他对生物学家日常工作只有模糊的认识，但他也感觉到，与哲学不同，科学中的大问题实际上是可以得到答案的。

研究生院让贝克沉浸在枯燥乏味的实验工作中，同时也培养了一些后来让他脱颖而出的特质。他在加州大学伯克利分校师从兰迪·谢克曼攻读博士学位，谢克曼当时正在研究分子如何在细胞内移动。为了协助这项研究，学生们被分配的任务是拆解活细胞以观察其内部的分子运输。在他接手这项任务时，近一半的学生因任务难度过大而放弃了。

贝克决定遵从自己的直觉，尽管这意味着要违背谢克曼的指示。他没有试图在显微镜下解剖细胞时保持细胞内部的运作，而是专注于保存细胞结构。如果细胞是一块手表，他的方法就相当于专注于齿轮之间的关系，而不是在拆卸时试图让它保持运转。

“他完全着迷了，”当时是他的实验室伙伴（也是那些放弃的学生之一）德沙耶斯回忆道。没有人能阻止贝克，也没有人能劝说他。他工作了几个月，直到证明他的方法是正确的：细胞结构驱动功能，所以保持其解剖结构就能保存内部运输网络。德沙耶斯认为贝克的方法论突破是“兰迪诺贝尔奖的核心”，兰迪于2013年因揭示细胞机制的基本原理之一而获得诺贝尔奖。

但贝克并没有沉溺于他的成就，或者说细胞生物学。1989年，获得博士学位后，他前往海湾对岸的加州大学旧金山分校，在那里他将研究重点转向结构生物学和生物化学。在那里，他建立了计算机模型来研究他在实验台上处理的蛋白质的物理性质。安芬森的难题仍然未解，当贝克在华盛顿大学获得第一个教职时，他全身心地投入到蛋白质折叠问题中。

从贝克的角度来看，这一发展过程是完全自然的：“我正在深入研究越来越基本的问题。”德沙耶斯认为，贝克从细胞到原子，从试管到计算机的曲折道路，是他成功的一个因素。“他比大多数人拥有更广阔的视野。如果没有一些博学多才的特质，他不可能完成他所做的事情。”

Rosetta里程碑

十多年来，每年夏天，数十位蛋白质折叠专家都会聚集在华盛顿喀斯喀特山脉的一处度假村，进行为期四天的徒步旅行和专业交流。议程上唯一的主题是：如何推进名为Rosetta的软件平台。他们称之为Rosettacon。

Rosetta一直是理解蛋白质如何折叠以及根据这些知识设计新蛋白质最重要的单一工具。它是安芬森的核糖核酸酶实验和贝克的死星疫苗之间的纽带。

当贝克于1993年抵达华盛顿大学时，研究人员知道蛋白质的功能由其结构决定，而结构又由其氨基酸序列决定。已知仅20种不同的氨基酸提供了所有原始成分。（它们的特定顺序——由DNA指定——使得一种蛋白质折叠成，例如，肌肉纤维，而另一种折叠成激素。）X射线晶体学（一种成像分子结构的技术）的进步，提供了许多蛋白质在所有折叠后的华丽图像。测序技术也得到了改进，得益于人类基因组计划以及原始计算能力的指数级增长。

贝克回顾说：“凡事都有合适的时机。”“在某种程度上，这只是运气和历史境遇。这确实是这个领域的合适时机。”

这并不是说在计算机上对蛋白质进行建模仅仅是插入数据那么简单。蛋白质会折叠到其最低自由能状态：所有氨基酸都必须处于平衡状态。问题是，平衡状态只是数十万种选择中的一种——如果氨基酸序列很长，甚至可能达到数百万种。要逐一测试所有这些可能性实在是太多了。鉴于折叠几乎是瞬间完成的，大自然肯定有另一种运作方式。

贝克最初的方法是研究自然界正在做什么。他将蛋白质分解，观察单个碎片如何行为，他发现每个碎片都在多种可能的结构中波动。“然后，当它们都同时处于正确的几何形状时，折叠就会发生，”他说。贝克设计了Rosetta来模拟任何氨基酸序列的这种舞蹈。

贝克并非唯一一个试图预测蛋白质折叠方式的人。1994年，蛋白质研究界组织了一项名为CASP（蛋白质结构预测关键评估）的两年一次的竞赛。参赛者被提供蛋白质的氨基酸序列，并被要求预测它们将如何折叠。

前两场比赛都失败了。参赛者用数字运算出来的结构根本不像折叠的蛋白质，更不用说他们要预测的特定蛋白质了。然后，在1998年，一切都改变了。

功能随形式而定

那个夏天，贝克的团队收到了来自CASP的20个序列，这是一个相当数量的蛋白质模型。但贝克很乐观：Rosetta将把蛋白质折叠预测从一种消遣游戏转变为一门真正的科学。

除了吸收实验室的新见解外，团队成员——使用由备件组装而成的简陋计算机——找到了一种方法，可以运行数万次粗略模拟，以确定最有可能的折叠组合。

他们成功预测了20种蛋白质中的12种结构。这些预测是迄今为止最好的，但仍然是实际蛋白质的近似值。从本质上讲，这张照片是正确的，但有些模糊。

随后，改进迅速进行，计算能力的提高有助于获得更高分辨率的模型，以及预测更长氨基酸链折叠能力的提高。一个重要的飞跃是2005年推出的Rosetta@Home，它是一个屏幕保护程序，只要联网的个人电脑不被主人使用，就会运行Rosetta。

然而，最重要的进步来源是 RosettaCommons，这个围绕 Rosetta 形成的社区。它起源于贝克的实验室，并随着华盛顿大学毕业生人数的不断增加——以及他们的学生和同事——而壮大，它是贝克“公共大脑”的放大版。

数十个实验室继续完善该软件，增加来自遗传学的见解和机器学习方法。新的想法和应用不断涌现。

这个公共大脑已经回答了安芬森的重大问题——蛋白质特定的氨基酸排列创造了其独特的折叠结构——现在正在提出更大的问题。

“我认为蛋白质折叠问题已经有效解决了，”贝克说。“我们不一定能准确预测每种蛋白质结构，但我们理解其原理。”

他补充说：“蛋白质在自然界中做了很多事情：光合作用、能量储存、运动、计算。”“那些纯粹、盲目偶然进化的蛋白质可以做所有这些令人惊奇的事情。如果你真正智能地设计蛋白质，会发生什么呢？”

从头设计

马修·比克正试图诱导一种蛋白质放弃其对糖的嗜好，转而完全沉迷于芬太尼。他的电脑屏幕显示着彩色的丝带和漩涡图像，代表着蛋白质的分子结构。一个类似特艺彩色积木的物体漂浮在中心附近，代表着阿片类药物。“你看到它包装得多么好吗？”他问我，用手指描绘着丝带。“蛋白质就像热狗面包一样包裹着整个芬太尼分子。”

作为贝克实验室的博士后研究员，比克利用Rosetta设计蛋白质生物传感器。该项目源于美国国防部。“2002年，车臣叛军劫持了一批人质，并与俄罗斯政府对峙，”他说。俄罗斯释放了一种气体，据广泛认为是含有芬太尼衍生物，导致一百多人死亡。从那时起，国防部一直对在环境中简单检测芬太尼的方法感兴趣，以防未来将其用于化学战。

蛋白质是理想的分子传感器。在自然界中，它们已经进化成像锁和钥匙一样与特定分子结合。人体利用这种系统识别环境中的物质。嗅觉就是一个例子；来自营养物和毒素的特定挥发性物质与鼻子内壁的专用蛋白质结合，这是提醒大脑其存在的第一步。通过蛋白质设计，这种“锁”可以按需定制。

对于芬太尼项目，比克指示Rosetta修改一种对木糖四糖具有天然亲和力的蛋白质。该软件生成了数十万种设计，每种设计都代表了预测能包裹芬太尼而非糖分子的氨基酸序列修饰。然后，一个算法从数百个最佳选项中进行选择，比克逐一评估，最终选出了62个有前途的候选者。比克屏幕上的蛋白质就是他最喜欢的之一。

“在此之后，我们在实验室进行艰苦的设计测试工作，”比克说。

他又展示了一张图片，揭示了他的结果。所有62个竞争者都在注入了合成基因的酵母细胞中生长，这些基因刺激酵母自身的氨基酸产生外源蛋白质。转基因酵母细胞已经暴露于用荧光化学物质标记的芬太尼分子。通过测量荧光——本质上是向酵母细胞照射紫外线，看有多少细胞因芬太尼而发光——比克可以确定哪些候选者以最强的强度和一致性与阿片类药物结合。

贝克的实验室已经利用这项研究制造了一种实用的环境传感器。经过修改，当芬太尼与受体结合时会发光，比克定制的蛋白质现在可以在一种常见植物——拟南芥中生长。这种转基因杂草可以覆盖可能部署化学武器的区域，如果存在危险物质，它就会发光，为士兵和卫生工作者提供早期预警系统。

这个概念也可以应用于其他生物危害。例如，比克现在正在开发一种黄曲霉毒素传感器，黄曲霉毒素是谷物上生长的一种真菌残留物，人类食用后会导致肝癌。他希望将传感器表达在谷物本身中，让人们知道他们的食物是否不安全。

但这次他采取了不同的做法。他不是修改现有的蛋白质，而是从头开始。“这样，我们可以比天然蛋白质更好地控制很多事情，”他解释道。他的全新蛋白质可以更简单，行为更可预测，因为它不带数百万年的进化包袱。

对贝克而言，从头设计代表着他四分之一世纪探索的巅峰。Rosetta的最新进展使他能够从所需功能反向推导出合适的结构，再推导出合适的氨基酸序列。他可以使用任何氨基酸——数千种选择，有些已经合成，有些仍在设计中——而不仅仅是自然界中用于构建蛋白质的20种标准氨基酸。

如果没有从头设计蛋白质的自由，贝克的“死星”就永远无法启动。他的团队现在还在设计人工病毒。就像天然病毒一样，这些蛋白质壳可以将遗传物质注入细胞。但它们不是用病原体感染你，而是导入的DNA会修复危险的遗传突变。其他项目旨在应对从疟疾到阿尔茨海默病等多种疾病。

在贝克面前，蛋白质设计似乎不再那么非凡。他从一场头脑风暴会议（他当天的第三或第四场）中出来，把我拉到一边，阐述了他的使命本质上是我们物种的命运。

“今天世界上所有的蛋白质都是自然选择的产物，”他告诉我。“但是当前的世界与我们进化的世界截然不同。我们寿命更长，所以我们有一整类新的疾病。我们将所有这些有害化学物质排放到环境中。我们对能量捕获有了新的需求。”

“新颖的蛋白质可以解决我们今天面临的许多问题，”他说，已经走向下一个会议。“蛋白质设计的目标就是让它们成为现实。”

[本文最初发表于纸质版，题为《万物皆在折叠》]