這是一份最好的新年禮物。
北京時間2025年2月20日，西湖大學未來產業研究中心、生命科學學院、西湖實驗室盧培龍課題組，在Nature雜誌線上發表題為De novo design of transmembrane fluorescence-activating proteins的科研報道——他們首次實現了跨膜熒光啟用蛋白的從頭設計，這也是第一個透過人工設計得到的能夠非共價結合特定小分子的跨膜蛋白1。
論文截圖
看到黑色粗體字的文章標題在雜誌官網上刷新出來，盧培龍長舒一口氣：
“一年了……”
2023年9月，盧培龍初次將這項成果投給Nature。經過漫長的五個月等待，他在龍年春節前夕收到了編輯發來的回覆：三位審稿人的意見出現了嚴重的兩極分化。
他沮喪極了，覺得這個年沒法過了。
2024年8月，他們完成了審稿人認為“天知道”能不能做成的補充實驗，再次將這篇文章投了出去；蛇年春節前夕，終於等來了“即將發表”的好訊息。
所以，接下來的內容，不僅要講這個課題，我們更想講一講課題背後的人，講一講他們被“磨”了五年、十年，甚至更長時間的故事。
在這個故事裡，你將真實地看到：科研的路，不知道需要多少步，但每一步都算數。
鋪墊
盧培龍很早就盯上了 “跨膜蛋白”。
顧名思義，跨膜蛋白“跨”在細胞膜上，如果將細胞膜看作城牆的話，膜蛋白就是進出城市的城門，細胞內外的物質交換、資訊傳遞，都要透過各種各樣的膜蛋白來完成。人類基因組編碼的所有蛋白質中，有超過四分之一是膜蛋白。
人體的五種感覺——視覺、聽覺、觸覺、味覺和嗅覺——都依賴於膜蛋白的關鍵作用。拿視覺來說，人視網膜視錐細胞中的視紫紅質（rhodopsin），是人類直接感受光訊號的分子，它結合作為感光基團的視黃醛（retinal），並藉助視黃醛分子光致變構的特性，對外界的光訊號作出響應，從而使人類能夠看見多姿多彩的大千世界。
作為細胞生命活動的核心部件，膜蛋白的功能一旦出現異常，細胞乃至整個生命體的生理活動就容易出問題，各種疾病也便隨之而來。目前世界上大約一半現代藥物的靶標分子都屬於膜蛋白。在許多常見的心血管疾病、精神類疾病，以及更難治療的癌症、阿爾茨海默症等疾病中，都能夠找到與其密切相關的膜蛋白分子，增強或抑制這些膜蛋白的功能，很可能成為治療疾病的關鍵。
“那麼是否有可能透過人工設計來按需定製全新的、理想的膜蛋白呢？”
它或許可以執行更多更復雜的定製化功能，或許可以更準確地辨別敵友訊號，或許可以更高效地進行光合作用……
逢山開路，遇河架橋。大自然沒有提供答案的角落，正是想象力和創造力綻放的空間。
大自然中，不同氨基酸序列的肽鏈能夠透過摺疊形成不同的結構，從而產生不同的功能；而蛋白質從頭設計的過程實際上是將這個流程倒過來，先預設需要的功能和對應的結構，再反推摺疊出這個結構所需要的氨基酸序列。
跨膜骨架蛋白質2結構示意圖
跨膜孔蛋白3結構示意圖
10年前，盧培龍加入了華盛頓大學蛋白質設計研究所——也就是2024年諾貝爾化學獎獲得者David Baker的課題組——開啟了一段長達5年的博士後研究。2018年，也就是入組的第四年，他在世界上首次實現了對多次跨膜蛋白的精確從頭設計2。該研究採用了多條螺旋狀的結構作為蛋白骨架，與天然存在的跨膜蛋白的常見架構相符合。
這項工作標誌著對膜蛋白的精確設計的起步。也因為尚在起步階段，當時設計的膜蛋白只有結構，沒有生理功能。
2019年，盧培龍回國，全職加入西湖大學生命科學學院，組建了自己的課題組——蛋白質設計實驗室。2020年8月，Nature報道了由他與David Baker團隊合作完成的最新研究——全球首次實現對跨膜孔蛋白的精確從頭設計3。
如果說2018年第一步的嘗試只是架起了橋，還沒有通車；那麼這一次的進步就在於，這座橋可以通車了。他們設計的跨膜孔結構，具備了離子、小分子轉運通道的功能。
亮了！
這次在Nature發表的新工作，是盧培龍在2019年回國後開展的，一作朱璟熠是2019級博士研究生。他入學的時候，實驗室才剛剛“開張”，他跟著盧老師從買試劑買裝置開始，想盡快把這個課題啟動起來。
他們的目標，是從頭設計一種能夠特異性地結合某種小分子的跨膜蛋白。這好比在生物膜環境中創造了一個獨特的“泊位”，只能允許特定型別的“船舶靠岸”停放。
視紫紅質三維結構，中心視黃醛分子顯示為橙色4。
前面提到的人類直接感受光訊號的視紫紅質，就是因為具有能夠特異結合視黃醛分子的“泊位”，才能夠發揮感光的作用。這裡“特異結合”的結構，被形象地稱為“結合口袋（binding pocket）”。不同膜蛋白的“結合口袋”能夠根據其獨特的結構，來識別、結合與之相匹配的特定配體，從而實現特定的功能。比如葡萄糖轉運蛋白轉運葡萄糖分子進入人體細胞，為細胞提供能量；或者NMDA受體被氯胺酮藥物分子抑制，對抑鬱症起到治療的作用。
課題組計劃在從頭設計的蛋白內部也構建一個這樣的“口袋”，來特異性地結合目標配體分子。
跨膜熒光啟用蛋白結構示意圖
作為結合目標的小分子，他們也選好了——一種名叫HBC的熒光基團。這種分子在遊離狀態下並不會發光，只有當以特定姿態被穩定結合，才能發出熒光。如果成功，這項技術有望廣泛應用在膜成像、跨膜感測器、跨膜物質傳輸等領域。
選擇熒光基團作為目標配體分子還有另外一個理由。
在上一次設計“跨膜孔蛋白”的時候，為了驗證那些離子究竟是不是從設計好的通道蛋白中透過去的，需要用複雜的測試體系才能得到強有力的證據，這一過程花費了課題組大量的時間。
而如果選擇會發光的分子，亮了即代表成功，一目瞭然。
設計過程分為兩步——先設計一個水溶性、不跨膜的簡易版；成功後，再將其改造成跨膜蛋白。
研究人員打磨了數不清的設計版本，終於成功構建出了這樣一個“口袋”，它不僅成功地結合（點亮）了配體熒光基團HBC599，而且結合後的熒光強度是遊離狀態的上千倍，遠超天然跨膜熒光蛋白。
到這一步，他們花了3年的時間。
三年來，每週一次組會彙報，朱璟熠的電腦裡一共存下了上千頁PPT。
“因為小分子結合蛋白對精度的要求極高，成功的設計與失敗的設計之間，有時只有0.1奈米的偏差。”這個從英國帝國理工學院碩士畢業的小夥子，倒是比導師更沉得住氣。“不急，因為隨著設計策略的不斷改進，我的設計精度一直在不斷地提高，趨勢是好的。”
跨膜蛋白選擇性啟用特定熒光分子
再後來的一年，研究人員們一方面穩住好不容易得來的“口袋”結構，另一方面把蛋白表面從“親水”設計成“疏水”，最終得到了一個“跨膜”版本的熒光啟用蛋白。
這一次足足亮了1600倍！
挫折
“這個領域發展太快了！”
即便做了五年才完成這個課題，但朱璟熠反覆掛在嘴邊說的，卻是這樣一句話。
這五年裡，技術變化翻天覆地，是動不動就能“上頭條”的級別，去年的諾貝爾化學獎也頒發給了這一領域。
朱璟熠一邊做課題，一邊前排圍觀了導師的導師David Baker與人工智慧巨頭DeepMind在蛋白質結構預測賽道上的你追我趕；同時也見證和參與了人工智慧技術對於蛋白質設計領域的革新，在自己的課題裡展示了深度學習方法可以被運用到跨膜蛋白計算設計當中，極大地提高了設計的精度和效率。
這波技術躍遷，朱璟熠當然是受益者，但也差點淪為“炮灰”。
2023年9月，盧培龍最後一輪修改完文章，正式向Nature投稿。龍年春節前夕，編輯發回三位匿名審稿人的意見，評價兩極化非常嚴重——
一位說，這是蛋白質設計領域裡的傑作（masterpiece of protein design），推薦發表。
另一位評審人則認為，這是一篇很好的工作，第一次解決了領域內非常具有挑戰性的問題；同時也提出為了讓這項研究“閉環”，應該再補上設計的跨膜蛋白實驗結構解析，證明它和設計模型是一致的。
第三個評審意見卻是相對負面，同樣提出了實驗結構驗證的問題，但因為蛋白質設計領域的快速發展，這位評審人對之前的研究進展有些誤解。
一項快速發展的技術，一個全新的、炙手可熱又鮮有先例可循的領域，一個年輕的科學家。這樣的組合之下，Nature編輯選擇往後退一步，但盧培龍和朱璟熠，不想退。
再投稿
對設計的跨膜熒光蛋白進行實驗結構解析，為這個課題保留了一線生機，但也僅僅只有“一線”而已。
冷靜下來之後，盧培龍也認可這個審稿意見。“此前確實有很多人嘗試設計膜蛋白，也不乏一些有意思的結果，但最大的問題在於它們很難形成穩定的三維結構，缺乏結構上的驗證，又或者很難做到實驗中獲得的結構與設計模型一致。”
事實上，在投稿前幾個月，他們已經開始“解結構”了。只是由於這個蛋白質太小了，超過了冷凍電鏡解析的極限，課題組也嘗試了X-射線晶體學，但是膜蛋白結晶又十分困難。
在加入David Baker實驗室之前，盧培龍在清華大學讀博士，師從施一公，學的正是結構生物學，這是他的老本行。他甚至有可能是蛋白質設計這個領域裡，最清楚跨膜蛋白結構解析有多難的那個人。
顯然，那位審稿人也清楚其中的關竅，他的審稿意見裡還有這樣一句話：“這個結構的實驗解析非常具有挑戰性，能不能解出來，得看天意（in the lap of the gods）……”
“不管是結構生物學，還是蛋白質設計，我都是在全世界最強的實驗室裡學的。”盧培龍是這樣給自己打氣的，最後竟從中覓得了解題思路。“我們的跨膜熒光蛋白太小了，可以用蛋白質設計的方法把它變大呀！”
沒想到，在清華大學和華盛頓大學學到的不同的知識，在多年以後產生了如此奇妙的融合，成了決勝的關鍵。
跨膜熒光啟用蛋白冷凍電鏡結構示意圖
2024年9月，距離上一次投稿正好一年。課題組成功解析出設計蛋白與熒光基團複合物的高解析度冷凍電鏡結構，證實其與設計模型高度一致。
盧培龍把修改完善後的文章，再次發給了那位編輯。
這一次，三位審稿人都給出了正面意見。
從頭設計跨膜熒光啟用蛋白模型
“讓最好的技術為我所用，去挑戰不可能的事。”盧培龍說。
這是他從施一公和David Baker兩位導師身上學到的最重要的一課——敢於做最前沿的研究，敢於挑戰別人避之不及的困難——要敢為人先！
參考文獻：
1.J. Zhu et al., De novo design of transmembrane fluorescence-activating proteins. Nature, (2025).
2. P. Lu et al., Accurate computational design of multipass transmembrane proteins. Science 359, 1042-1046 (2018).
3. C. Xu et al., Computational design of transmembrane pores. Nature 585, 129-134 (2020).
4.K. Palczewski et al., Crystal structure of rhodopsin: A G protein-coupled receptor. Science 289, 739-745 (2000).
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08598-8
原文連結：
https://www.westlake.edu.cn/news_events/westlakenews/academics/202502/t20250219_52872.shtml