计算生物学家设计了一种新型改进的磷酸丙糖异构酶桶蛋白

蛋白质和酶在人体内发挥多种关键功能。要设计功能性蛋白质，重要的是能够控制蛋白质折叠的结构并了解蛋白质的序列、结构和稳定性之间的关系。计算生物学的最新发展使具有不同折叠和结构的蛋白质的从头设计成为可能。

一种这样的结构是磷酸丙糖异构酶(TIM)桶状蛋白质折叠，它出现在近10%的所有酶中，并参与蛋白质介导的代谢。它具有简单的结构，具有通过可变环连接的重复β/α亚基，因此被广泛用作设计其他蛋白质的支架。然而，由于改变其整体结构的挑战，它尚未被完全用于设计功能性蛋白质。

最近，由斯坦福大学黄宝思博士领导的研究小组进行了一项研究，以研究是否可以从头改变中央β桶的结构，同时消除结构环并提高其稳定性。他们的目标是设计一种具有高稳定性和功能特性的TIM桶蛋白，他们的发现发表在BioDesignResearch上。

“虽然TIM桶蛋白以前是从头设计的，但很难精细地改变其中央β桶的曲率，从而限制了它在功能设计中的实用性，”Huang博士在讨论以前使用TIM桶形折叠。

首先，该团队使用RosettaRemodel(24)框架使用自回归方法生成和识别理想的蛋白质骨架。接下来，他们使用迭代序列设计协议生成多个序列，其中成功折叠设计的比例很高。

与蛋白质合成和结构测定一起，从头开发了一种具有双重(卵形)对称性和全新句法(即拓扑信息)和新序列的TIM桶蛋白。这种蛋白质的晶体结构与团队创建的设计模型非常相似，证实了他们的设计假设。

关于TIM桶状蛋白的结构特性，Huang博士说：“设计的蛋白质呈现出细长的β桶状结构，其环在结构上没有参与，并且具有更发达的疏水核心。”

该团队进一步发现，设计的序列高度稳定，能够折叠到设计的桶形曲率。此外，发现卵形TIM桶的形状适合不同残基身份和组合的结合。

此外，该团队采用了诱变——一个过程，其中构成蛋白质的关键氨基酸残基被具有相似或对比特性的氨基酸取代。令人惊讶的是，尽管进行了修饰，但所得TIM桶蛋白显示出高结构和热稳定性，尽管它在一定程度上降低了蛋白质的总产量。

这些发现的长期影响是什么?“我们的设计显示出对剧烈突变的稳健性，即使当多个带电残基被埋在疏水核心中或当疏水核心被烧蚀成丙氨酸时，也能保持高熔化温度。作为一种具有更大容量的支架，可以容纳不同的氢键网络和安装结合口袋或活性位点，卵形TIM桶代表了功能性TIM桶从头设计的重要一步，”黄博士说。

总之，TIM桶形折叠的新颖设计在分子识别和酶催化领域具有多重意义。由于关键酶中经常出现TIM桶结构，该研究也可能具有治疗意义。