蛋白質設計的案例
基于化學和蛋白質工程的生物催化新進展
富有想象力的化學家現在已經開始發現，當一個蛋白質被提供給非天然反應物、外部刺激或其他生物成分時，可以支持其他混雜的活性。除了上面討論的血蛋白催化的碳化物和亞硝酸鹽轉移外，還有兩個明顯的例子說明了這種創造性的工作（圖2）。
圖2：具有新于自然的反應模式的生物反應的輔助因子適應性的代表例子。（圖片來源：nature synthesis）
通過定向進化，進一步改善酶的參數和性能，以及底物范圍是可能的。酶固有的機制多樣性與蛋白質工程相結合，為發現新的生物催化劑提供了巨大的潛力。
一些關于新于自然的生物催化轉化的報告突出了自然界、合成化學和蛋白質工程之間的這種合作努力的潛力，以克服長期的合成挑戰（圖3）。
圖3：New-to-nature的酶催化作用的部分例子。（圖片來源：nature synthesis）
4. 蛋白質設計：促進生物催化發展的另一面
與上面討論的化學方面的進展一道，蛋白質設計能力方面的進展也促進了新的生物化學的發現。計算模型是實現這一目標的有用工具，以設計新的酶為目標的蛋白質模型在過去20年中受到了極大的關注。2008年，R?thlisberger等人通過計算設計了一種催化非生物坎普消解的酶，并且改進了最低性能設計以表現出改進的活性。自該報告以來，其他的酶也被計算設計用于自然界中代表性有限的反應，包括Diels-Alderases和Morita-Bayliss-Hillmanases。
由于研究人員對問題的理解有限，所以從頭設計的酶的初始活性往往很低，但定向進化可以挽救不良的設計，以實現更接近天然酶的速率和選擇性。
計算設計還可以指導對已知酶功能的擴展。
展開 Rosetta從頭蛋白抗體設計、結構優化及在藥物研發中的應用
從蛋白質折疊到蛋白質設計
目標：了解本方向內容、理論基礎、研究意義。
1 蛋白質折疊與結構預測簡介
1.1 主鏈二面角與二級結構
1.2 側鏈堆積與三級結構
2 蛋白質設計簡介
2.1 蛋白質設計的分類及應用
AM10:00~10:50
二. Rosetta基礎
三. 蛋白質結構viewer 、Linux和Python基礎教學目標：能夠使用vim編輯器簡單編輯文件，能夠使用PyMOL或ChimeraX查看蛋白質結構。
3 Pose/mover/scorefunction
4 LINUX 入門命令
4.1 用戶屬組及權限 目錄文件屬性4.2 LINUX基礎命令 環境變量
4.3 shell常用命令練習
4.4 conda介紹
AM11:00~12:00
PM14:00~14:50
四． 結構擾動與結構優化
五．序列設計PackRotamer和FastDesign
目標：了解Rosetta封裝好的應用（以relax為例）和RosettaScript編寫應用（以pack/min/pack為例）。
展開 北鯤云超算平臺賦能蛋白設計助推生物制藥行業發展
北鯤云超算平臺賦能蛋白設計助推生物制藥行業發展
隨著科技進步，生物制藥正在被視為改寫人類命運的關鍵。北鯤云超算平臺蛋白設計助推生物制藥行業發展，提供蛋白質結構設計時所需的龐大的計算和資源儲存資源，幫助生命科學與生物制藥的發展，讓蛋白設計為生物制藥發展加足馬力。
作為云計算平臺領域中的代表，北鯤云SaaS平臺在高性能計算領域中具備了強大的優勢。在蛋白設計中，從高效進行基于測序和藥物篩選，到對大量的蛋白質分子結構與基因序列數據進行匹配，北鯤云豐富的應用場景和高效的運行速度，為生物制藥的數據化與可視化提供最基礎算力。
同時北鯤云還針對當前生物制藥企業落后的計算機系統和計算能力，給出更經濟、靈活、針對性強的服務方案，使生物制藥企業在產品研發時擁有體系龐大的數據支撐與模型支持。
當前研究人員普遍認為蛋白質設計的核心初衷是加速生物制藥的發展，以謀求用更顯的藥品來解決疑難雜癥。而對給定的預期功能，能否設計出滿足該功能需求的蛋白，是蛋白質設計研究的另一關注點，在新型生物藥開發的實際應用層面具有重要意義。北鯤云單節點206CPU核心，NvidaV100,A100等加速卡支持，多種交互方式，支持超過300種經過編譯優化的可以軟件，使生物信息研究、生命科學探索、生物制藥發展、蛋白設計等場景的云計算功能都能輕松達成，對推動行業發展具有重要意義。
展開 Rev.》綜述：基于蛋白質生物材料的分子設計和人工生產
天然蛋白質基材料的分子設計
作者在此部分重點描述了基于蛋白質的材料的基本分子設計，重點是序列/結構特性關系以及常見的生化和結構特征，所介紹的材料是根據它們的結構功能進行組織的，并說明了基于蛋白質的材料利用多肽處理的整個二級結構譜。
作者介紹的四種主要的蛋白質材料，分別是纖維材料（圖4）、具有高可逆變形能力的生物彈性體（圖5）、硬體材料（圖6）和生物粘合劑（圖7）。在每節作者將重點放在一級和二級結構水平的設計上，并討論它們與力學響應的相互作用。
圖4 纖維蛋白材料
圖5 生物彈性蛋白材料
圖6主要由蛋白質制成的堅硬散裝材料
圖7 生物粘附蛋白
3. 蛋白質基材料的生物工程
在此部分，作者綜述了蛋白質基材料的生物工程制造，比較了用于生物制造的不同類型的活體宿主，包括它們各自的主要優點/缺點和當前的局限性。同時也描述了純化方法，因為在許多情況下它仍然是蛋白質基材料放大的瓶頸。
氣溶膠、靜電紡絲、浸沒、微流體、光刻等各種制造方法已被用于制造長度尺度從納米到毫米的材料，包括具有潛在醫療和工業應用的納米球、無紡納米纖維、復合材料、薄膜、纖維、粘合劑、水凝膠和氣凝膠（圖8）。
圖8 生物技術生產的蜘蛛絲蛋白的多種材料應用
由于從貽貝中提取天然貽貝足蛋白的純化程序復雜且成本高，因此開發了各種重組生產貽貝足蛋白（rMFP）的方法。
展開 
【篇二】生物醫藥領域發文難？(CADD、ROSETTA、多組學）一區SCI墊腳石已備好！
rosetta從頭蛋白抗體設計、結構優化及在藥物研發中的應用（篇二）
一. 從蛋白質折疊到蛋白質設計
目標：了解本方向內容、理論基礎、研究意義。
1 蛋白質折疊與結構預測簡介
1.1 主鏈二面角與二級結構
1.2 側鏈堆積與三級結構
2 蛋白質設計簡介
2.1 蛋白質設計的分類及應用
am10:00~10:50
二. rosetta基礎
三. 蛋白質結構viewer 、linux和python基礎教學
目標：能夠使用vim編輯器簡單編輯文件，能夠使用pymol或chimerax查看蛋白質結構。
3 pose/mover/scorefunction
4 linux 入門命令
4.1 用戶屬組及權限 目錄文件屬性
4.2 linux基礎命令 環境變量
4.3 shell常用命令練習
4.4 conda介紹
四．結構擾動與結構優化
五．序列設計packrotamer和fastdesign
目標：了解rosetta封裝好的應用（以relax為例）和rosettascript編寫應用（以pack/min/pack為例）。
5 minmover, mc mover, fastrelax mover
5.1 movemap
6 rosettascript組成和要素
6.1 filter residueselector taskoperation
6.2 dssp/disulfidize mover
第二天
六. 蛋白-蛋白對接基礎
目標：了解基于序列和基于結構的蛋白質復合物預測手段。
7 translat和rotation mover
7.1 low resolution的全局搜索
7.2 high resolution的精細調整
7.3 foldtree
七.
展開 北京大學呂華課題組：蛋白質-高分子偶聯物的精準設計--聚氨基酸化干擾素聯合阿霉素用于腫瘤協同治療
化療藥物和蛋白質藥物是目前臨床上腫瘤藥物治療的兩種主要手段，并且兩類藥物的聯合使用可產生協同增強的抗腫瘤功效。然而，化療藥物和蛋白質藥物在藥代動力學和生物分布等方面的巨大差異以及嚴重的藥物毒副作用限制了傳統聯用治療的應用。為了獲得最佳的協同抗腫瘤功效，蛋白質-化療藥物-高分子（protein-drug-polymer, PDP）偶聯物是一種簡潔有效的藥物聯用策略，利用高分子材料共價偶聯藥物，形成藥物共遞送系統，并以可控的方式在腫瘤靶位釋放出雙重或多重藥物。目前對PDP偶聯物的設計和體內抗腫瘤研究甚少。
北京大學呂華課題組報道了一種位點特異且結構明確的多重響應性干擾素-聚硫辛酰肼阿霉素-聚氨基酸偶聯物（IFN-PolyDox-PEP），用于腫瘤的聯合藥物治療。作者巧妙地將蛋白質-聚氨基酸的定點偶聯Grafting-to技術與原位冷凍聚合生長聚二硫化物的Grafting-from技術相結合，使不同種類的高分子材料在藥物遞送的各個階段充分發揮作用。首先，聚氨基酸的修飾顯著提升藥物的半衰期，有利于更好地實現藥物的腫瘤富集。隨后，腫瘤微環境高表達的MMP酶介導的酶切釋放出干擾素蛋白原藥，提高干擾素對腫瘤細胞表面干擾素受體的結合力，充分發揮干擾素的抗腫瘤活性。進一步，聚二硫化物的特殊入胞機制和解聚性能促進了阿霉素的胞內遞送和無痕釋放（圖1）。
圖1.（A）IFN-PolyDox-PEP的合成示意圖。（B）集MMP酶響應，酸響應和谷胱甘肽響應于一體，促進IFN和Dox靶向釋放，實現蛋白質-化療藥聯合用藥，增強抗腫瘤協同效應。
展開 調控水凝膠降解、蛋白質釋放方式和速率！
這對設計光降解水凝膠非常重要。
圖3. 水凝膠的水解。（A）NB基團的可裂解鍵（X）決定了水凝膠的水解速率和形成的產物，Z1和Z2分別代表形成的產物。（B）水凝膠在pH ＝ 10的PBS的體積變化。
4、NB交聯劑水凝膠釋放蛋白質
作者最后設計了具有雙重功能的同心圓柱狀水凝膠，利用不同的NB交聯劑的水解和光解特性，以控制蛋白質釋放。將不同熒光團標記的模型蛋白（BSA-Alexa Fluor（AF）488和BSA-AF647）分別加入NB-酯和NB-氨基甲酸酯水凝膠前體溶液中，然后在同心圓柱體模中依次形成水凝膠層。選擇NB-酯和NB-氨基甲酸酯是因為它們具有相似的光解行為及相反的水解行為，這提供了創建組合及順序釋放的機制。水凝膠光降解速率在共聚焦顯微鏡下進行檢測，發現兩個水凝膠層內的熒光強度均以相似的速率降低（圖4A），并且水凝膠相對高度在照射后降低（圖4B）。
圖4.雙功能同心圓柱水凝膠組合的蛋白釋放。（A）同心圓水凝膠隨光照時間的變化。（B）在0分鐘（左），7.5分鐘（中）和12.5分鐘（右）時，同心圓柱狀水凝膠的表面（頂部）和側面的圖像。比例尺500 μm。
接著，他們將水凝膠浸泡在PBS（pH = 10），NB-酯水凝膠層降解并釋放BSA-AF488。隨后用紫外光照射剩余的水凝膠以降解NB-氨基甲酸酯水凝膠層并釋放BSA-AF647。在堿性緩沖液中浸泡60分鐘后，NB-酯層的熒光強度降低，釋放出BSA-AF488，隨后在紫外光照射下NB-氨基甲酸酯層迅速釋BSA-AF647（圖5）。這證實了水凝膠中NB交聯劑的不同降解方式和速率在控制封裝及釋放的實用性。作者展示了一種通過簡單的過程來導向釋放的簡便方法，這種方法為設計具有可調節和可控制特性的可降解材料提供了新的思路和機會。
展開 紫外分光光度法測量蛋白質的含量
蛋白質與生命的起源、存在和進化都密切相關,蛋白質測定涉及到生產和利研的眾多領域。本試驗用紫外分光光度法進行蛋白質含量的測定,由此分析此方法的特點及適用條件。結果表明,紫外吸收法簡單、迅速,且相對較為準確,是測定低濃度蛋白質含量的有效方法。
蛋白質中酪氨酸和色氨酸殘基的苯環含有共軛雙鍵，因此，蛋白質具有吸收紫外光的性質，其最大吸收峰位于280nm附近（不同的蛋白質吸收波長略有差別）。在最大吸收波長處，吸光度與蛋白質溶液的濃度的關系服從朗伯-比耳定律。該測定法具有簡單靈敏快速高選擇性，且穩定性好，干擾易消除不消耗樣品，低濃度的鹽類不干擾測定等優點。
最后推薦一款可以應用在紫外分光光度法中的紫外線傳感器，由工采網從國外引進的告知紫外線傳感器 - GUVC-T10GD，該傳感器芯片大小0.4mm，TO 46封裝，使用鋁氮化鎵材料構成，裝有肖特基光電二極管，具有光伏模式操作，有良好的日盲。廣泛應用于：紫外線強度檢測和控制，UV指數檢測。戶外檢測UV指數設備等，還可以用于紫外線消毒和UV固化，用來監測紫外線強度。UV火焰探測器等。
展開 科學家首次在隕石中發現地外蛋白質
哈佛大學的科學家在分析兩塊隕石樣本成分時，意外發現其上的蛋白質結構，這是人類首次發現地球以外的蛋白質。兩塊隕石是阿蘭德隕石和Acfer 086隕石，它們分別于1969年在墨西哥和1990年在阿爾及利亞被發現。
阿蘭德隕石
地外同位素增強證實這些蛋白質分子不是在地球污染產生的，它們和地球上的血紅蛋白很相似。
本次發現的蛋白質結構
這是否意味著我們找到了外星生命？
并沒有，蛋白質是生命的基石，但是從嚴格意義上講，它們僅僅是分子形式，并不是生命存在的標志。
目前，關于這種蛋白質尚無更多資料，我們不知道它們來自何處，在什么條件下形成。研究小組懷疑它們是和太陽系同一時期誕生的。
近50年來，科學家們一直在從地外隕石上尋找有機化合物，2012年，NASA在碳質隕石中發現了氨基酸，2017年，科學家在著名的默奇森隕石中發現了全新的有機化合物，但這次是科學家第一次發現完整結構的蛋白質。
長期以來，科學家假設生命可能源自早期撞上地球的小行星，本次的發現為這種理論提供了一定支持。
展開 使用AlphaFold2進行蛋白質結構預測
2020年11月30日，該人工智能程序在蛋白質結構預測大賽CASP 14中，對大部分蛋白質結構的預測與真實結構只差一個原子的寬度，達到了人類利用冷凍電子顯微鏡等復雜儀器觀察預測的水平，這是蛋白質結構預測史無前例的巨大進步。這一重大成果雖然沒有引起媒體和廣大民眾的關注，但生物領域的科學家反應強烈。
目前，AlphaFold2的源代碼已經在GitHub上公開，而且現在科學家正在利用AlphaFold2對已有的蛋白數據庫進行高通量的預測，建立了一些模式生物物種所有蛋白的AlphaFold2預測結構數據庫（https://alphafold.ebi.ac.uk/）。
可以看到，雖然利用AlphaFold2預測了這么多生物的數據庫，但是并未覆蓋所有的蛋白序列數據庫，所以只有搭建本地的AlphaFold2服務，你才能用AlphaFold2隨心所欲的預測自己研究蛋白的結構。
接下來將給大家介紹AlphaFold2的使用方法，在北鯤云上免安裝使用。對于沒有Linux基礎或本地硬件配置不足的人，僅需1分鐘即可成功提交蛋白質結構預測任務，能夠省去很多麻煩。
二、在北鯤云使用AlphaFold2進行蛋白質結構預測
1. 選擇AlphaFold2
在“應用中心”搜索AlphaFold2軟件并選中，在右側彈出的軟件詳情欄中點擊“提交作業”。
2. 選擇可視化模板提交
推薦選擇可視化“模板提交”的方式提交作業，平臺已為AlphaFold2內置了幾個可視化模板，按要求填寫相應參數即可提交預測任務。
3.
展開 烏賊蛋白質可制造自修復衣服
如今，研究人員發現，SRT中的一種蛋白質可被轉變成纖維和薄膜，用于制造結實、靈活、可生物降解的塑料。相關成果日前發表于《化學前沿》雜志。
烏賊環齒含有一種有用蛋白質。圖片來源：Mark Conlin / Alamy
普通烏賊只含有約100毫克SRT蛋白質，但美國賓夕法尼亞州立大學的Melik Demirel及團隊通過基因改造大腸桿菌生長出SRT蛋白質。這意味著更多蛋白質可被生產出來。
普通的衣服纖維可被SRT蛋白質包裹，以制造非常耐穿的織物。同時，如果受到損傷，僅靠一點點熱量和壓力，它們便可自我修復。
這種蛋白質的有用性來自其不同尋常的分子結構。蛋白質的組成部分像油和水一樣相互作用，并在納米尺度上分離。
這產生了緊緊纏在一起的螺旋線、扁平的片材和無序的纏結。這些形狀反過來又賦予該材料宏觀層面上的屬性。
全文鏈接：
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fchem.2019.00069/full
來源：中國科學報 宗華
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如何使用在線Alphafold進行蛋白質折疊與對接
北鯤云超算平臺在AlphaFold2對蛋白質研究中有何作用？
無論是從方法設計的角度還是從性能的角度而言，AlphaFold2都體現了人工智能技術與生物物理思維的完美融合，在北鯤云超算平臺的支撐下，它成為近年來最重要的科學突破之一就不難理解了。
“人工智能+蛋白質組學”成科研熱點課題，云計算發揮重要作用
蛋白質組學在現代藥物研究中的重要作用，早已經得到了業界的公認，甚至有人士坦言，它會改變藥物的研發模式。這樣的說法并非夸張，從近些年眾多企業的科研投入趨勢來看，蛋白質領域已然成為不折不扣的熱門。
要了解蛋白質在藥物研發過程中為何會扮演著如此重要的角色，就不得不從它的功能說起。生命的表現形式，在本質上都是蛋白質功能的各種體現，只有人類深入地了解生命體內蛋白質的組成和它們的活動規律，才能對各種疾病的起因、發展等有全面的認識，也才能找到疾病治療的關鍵所在，提升藥物的研發效率。
不過，在過去相當長的時間里，國內外的科研機構對蛋白質的研究進程并不順利，原因是存在著很多的技術難點，比如在統計方法上，由于蛋白質系統的復雜程度遠遠超出一般的認知，傳統的蛋白質組學研究分析方法對于整個系統而言是非常吃力的。
以Western測量10個蛋白質為例，想要以動態的方式來監測不同時間范圍內的幾千甚至上萬個蛋白質的變化情況，不但難以用肉眼去觀察并得出有效的實驗結果，同時在找到一一對應的抗體進行堅定方面也有極大的難度。正是基于這樣的問題，要順利地進行蛋白質組學的研究，就必須找到能夠匹配這種復雜系統的分析技術和方法。
不過，盡管之后一系列新的分析技術不斷出現，但卻又面臨著數據解析的問題。由于研究過程中涉及的蛋白質種類多、動態范圍廣，因此蛋白質組數據非常復雜，對其進行分析時不但耗時耗力，且結果不一定準確。AlphaFold2、RoseTTAFold等蛋白質預測工具的出現，找到了很好的解決方案，通過把蛋白質組變成數據的方法，將生物樣品中的的蛋白質組進行數字化，然后再借助于機器學習或者人工智能技術去解讀數據，最終取得想要的分析結果。
展開 基于Gromacs的蛋白質與小分子配體相互作用模擬教程
在生命科學的廣闊領域中，蛋白質與小分子配體之間的相互作用扮演著至關重要的角色。這些相互作用不僅影響著生物體內的各種生命活動，如信號傳導、代謝調控和藥物作用等，同時也是藥物設計和開發的核心內容。因此，深入理解并模擬這些相互作用過程，對于推動生命科學研究和藥物研發具有重要意義。
本教程旨在為讀者提供一套完整的蛋白質與小分子配體相互作用模擬的流程和方法。通過本教程的學習，您將能夠掌握從蛋白質與小分子配體的結構準備、相互作用模擬到結果分析的全流程，從而能夠自主進行相關的模擬研究。
在本教程中，我們將首先介紹蛋白質與小分子配體相互作用的基本原理和模擬的基本概念，為讀者奠定理論基礎。隨后，我們將詳細闡述模擬的具體步驟，包括結構準備（如蛋白質結構預測、小分子結構優化等）、相互作用模擬（如分子對接、分子動力學模擬等）以及結果分析（如相互作用能計算、軌跡分析等）。在每個步驟中，我們都會結合具體的案例和實例，詳細解釋操作步驟和注意事項，幫助讀者更好地理解和掌握。
具體流程：
一、預處理復合物
1. 蛋白質及配體結構獲取
在本教程中，我們將使用T4溶菌酶L99A/M102Q(PDB ID：3HTB)為例，從PDB蛋白數據庫 (RCSB PDB)下載其晶體結構，去掉晶體水，PO4和 BME。
蛋白及配體力場獲取
只有在力場的.rtp文件中存在構建塊的條目時，拓撲才能自動組裝。而JZ4配體在 GROMACS 提供的任何力場中都不是一個可識別的實體，因此我們將分兩步準備系統拓撲：1)用pdb2gmx準備蛋白質拓撲；2)使用外部工具準備配體拓撲。
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