一個設計的離子通道。如John等人所報到的，在設計的膜蛋白中產(chǎn)生生物活性的能力，是建立已被了解的根本原則的必要一步，這能由標題中Richard Feynman有名的格言扼要地闡述。

研究人員設計一種蛋白質來進行離子的跨膜運輸。

現(xiàn)在的生命依賴于蛋白質的化學活動。科學家們一直以來都希望能了解它們的復雜結構和多種多樣的化學活動，并通過設計來模擬它們的性質。然而，設計有結構的多肽鏈——創(chuàng)造功能性蛋白質的先決條件——已經(jīng)被證實是非常有挑戰(zhàn)性的。近年來在一些領域已取得了進展，如在水溶液中折疊蛋白質的設計和具催化活性蛋白質的設計，但膜蛋白的設計還處于剛剛起步階段。John等人完成的具里程碑歷史的研究直面了設計新蛋白質的兩個主要挑戰(zhàn)：具仿生功能折疊膜蛋白的設計。

在地球上所有生命zui后的普遍共同祖先的時候，即約35億年前，生命的大分子出現(xiàn)了一分為三的分工，DNA承擔了信息庫的角色、蛋白質提供催化活性，而RNA則在它們中起介導作用。這三種大分子都需要明確的三維結構來實現(xiàn)它們的生物作用。但核酸在變性后會自發(fā)折疊并可靠地恢復它們的結構，而蛋白質折疊則是一個容易被打亂的復雜過程；在變性后，蛋白質通常會聚集，而且還必須降解和再合成。

在設計核酸領域的快速發(fā)展使得基因工程成為了一項例行技術，它有廣泛的應用性并擁有可預期性。另一方面，蛋白質設計則被證明是一個更加有難度的課題，原因在于所謂的蛋白質折疊問題：氨基酸序列是如何決定蛋白質結構的？

尤其有兩方面使得這個問題非常棘手。首先，絕大多數(shù)的氨基酸序列沒有折疊結構。這可能看起來是違反直覺的，因為我們通常遇到的鏈都是天然蛋白質鏈，而且這些鏈絕大多數(shù)是折疊的。然而，多肽文庫的篩選表明十億個樣本中少于一個是折疊的。其次，對于那些少數(shù)的折疊鏈，折疊的自由能僅僅相當于幾個氫鍵。因此絕大多數(shù)的折疊蛋白質在能量上與非折疊態(tài)是很相近的——通過僅高于正常生長溫度的熱休克處理便可造成結構破壞可以證明這一事實。因為結構是化學活性的先決條件，所以蛋白質設計仍然被這一問題所困。

雖然一個蛋白質折疊問題的通用解決方法非常有利于設計，但是為簡單案例提供的方法，如設計短的、理想化的或重復性的多肽鏈的方法，卻能使得這個領域向前發(fā)展。將進化過程中保留下來的序列模式保留下來也被證明是非常有益的，使用天然出現(xiàn)的蛋白質碎片作為結構單元也是如此。成功的設計工作不僅僅復制了一些天然折疊和酶活性，還產(chǎn)生了新的折疊和催化活性。正如Richard Feynman的非常有名的格言所說的，“我所無法創(chuàng)造的，我無法理解"，成功的設計也能有力地說明這個設計原理已被了解。

卷曲螺旋是的蛋白質設計模型系統(tǒng)中的一個，它是由兩條或多條平行或反平行取向的螺旋線繞著一個中心軸彎曲形成的纖維性褶皺。卷曲螺旋的螺旋線沿著能形成有規(guī)律的、幾何上確定的相互作用的殘基配對，因此它們有低復雜度的重復序列。相比于球狀褶皺（通常多于70個殘基），卷曲螺旋能在較短的長度內(nèi)（一般為25到30個殘基）結構化，而且更加穩(wěn)定。在蛋白質中，只有它們的結構能用參數(shù)方程（Crick方程）描述，也因此能被計算（而不是模擬，模擬是一個艱辛得多的過程）。包括John等人的工作在內(nèi)，zui近的研究大幅地擴展了經(jīng)設計的卷曲螺旋形式的范圍。

Huang等人設計了由三條和四條螺旋線形成的反平行束，與通常的序列周期為七個殘基的卷曲螺旋不同，這兩種反平行束的序列周期分別為18個和11個殘基，它們同時還異常穩(wěn)定。作者還建立了由五條螺旋線形成的平行卷曲螺旋，它標志著帶緊密堆積核的束狀向封閉著一個、溶劑可進入的通道的桶狀的過渡。

卷曲螺旋桶中的螺旋線間相互作用包含了兩種殘基鍵接（而不是像束狀那樣只有一種），因此更加難以設計。Thomson等人根據(jù)鍵接的幾何學將這些復雜的鍵接分成了三類，他們還通過設計五聚物、六聚物和七聚物桶來表明他們已了解了決定類型的原理。實驗表明由這些桶狀形成的通道有不同的化學可及性，基于此，他們強調了這些通道有可能用作催化劑。

這些通道也很有可能用于跨膜溶質運輸。John等人通過構建膜包埋的卷曲螺旋來闡明這一點，這種螺旋兩頭末端處有兩個Zn2+離子的結合位點。這個卷曲螺旋（稱為Rocker）能有意地在兩種狀態(tài)中動態(tài)地振動，例如當Zn2+結合在一個位點時，另一個位點的Zn2+就會釋放。通過進一步地設計結合位點，例如它們能與鋅離子或者氫離子配合，但不能同時配合，John等人確認了這些離子是以相反的方向運輸?shù)摹５拇_，他們表明Rocker能在一端轉運一個Zn2+離子的時候在另一端轉運三到四個氫離子，即使兩端存在pH梯度（見圖）。通過對這個合成的反向轉運體的結構和活性的深入表征證實了所有設計目標所達到的度。

John等人的研究令人信服地打破了蛋白質設計的一些障礙：將蛋白質設計從溶劑中引入到膜中，以動態(tài)性質為目標，而不是穩(wěn)定性，從基本原理中獲得了的仿生性能，不依賴于篩選或者定向進化。由于絕大多數(shù)的膜蛋白是螺旋形的，而且Grigoryan和Degrado已經(jīng)為這些結構提供了Crick方程的通用擴展式，這項工作能為膜蛋白工程開創(chuàng)令人振奮的新途徑。這是不應該被忽視的，但是將這些進展擴展至其它的蛋白折疊仍然是一個挑戰(zhàn)。

原文檢索：

Andrei N. Lupas. (2014) What I cannot create, I do not understand. Nature, 346(6216): 1455-1456.