Baker Lab 设计出可切割疾病相关蛋白的 AI 蛋白酶

华盛顿大学蛋白质设计研究所的两个团队于 2026 年 10 月 14 日在《Nature》发表论文，报告了他们通过计算方法从头设计的蛋白酶。这些蛋白酶能够在选定序列处水解多肽骨架，包括人类疾病相关蛋白 TDP-43、淀粉样蛋白-β 和血清淀粉样蛋白 A 中的位点。

论文指出，在中性水溶液中，连接肽骨架上氨基酸的酰胺键可稳定存在数百年，这是因为水解反应具有很高的能垒；此前，从头设计酶的成功案例也主要局限于能垒较低的模型反应。一项研究制备了锌基金属蛋白酶，另一项则制备了通过活化的半胱氨酸亲核体发挥作用的蛋白酶。两篇论文均将 David Baker 列为通讯作者，ETH Zurich 的 Donald Hilvert 也都是两篇论文的通讯作者。

锌基金属蛋白酶设计流程

在金属蛋白酶的计算设计一文中，共同第一作者 Anqi Chen、Kejia Wu 及其同事介绍了如何利用 RFdiffusion 方法设计蛋白质，使其在肽底物结合口袋旁带有能够活化水分子的锌基活性位点。论文报告称，在测试的 135 个设计中，有 36% 能够催化其对应肽底物在目标切割键处断裂。最佳初始设计使肽键水解速度相较于未催化反应提高了 10⁸ 倍以上；论文称，通过四处替换改善活性位点的预组织状态后，反应加速幅度进一步提高到 10¹⁰ 倍以上。

生成流程先进行一轮初始的基序支架化骨架生成、序列设计和 AlphaFold 3 筛选，随后进行两轮部分扩散精修，并在每轮中进一步开展序列设计和筛选，最后再进行一轮序列设计与 AlphaFold 3 筛选。为优化名为 Zn45 的设计，团队在 21 个残基位置上筛选了 378 个单个位点饱和变体，并在 6 个位置上筛选了 148 个组合变体，最终得到改良变体 Zn45_v2，并通过总周转数和 Michaelis–Menten 动力学测量对其进行了表征。

研究人员测定了包括 Zn5、TDPr3、ZnO7 和 Zn48 在内的设计结构的晶体结构，并以登录号 11CE、11CM、11CP、11CR、11CU、11CY 和 11DU 将其存入蛋白质数据库（Protein Data Bank）。他们还利用机器学习力场计算，考察了天然锌蛋白酶 astacin 以及设计 ZnO7 和 Zn45 在亲核攻击步骤中的活化能。该研究的数据和代码可在 Zenodo 获取。

选择性切割疾病相关蛋白

金属蛋白酶论文报告称，研究人员设计出的蛋白酶能够选择性切割人类疾病相关蛋白 TDP-43、淀粉样蛋白-β 和血清淀粉样蛋白 A，速率提升最高达 10⁹ 倍。具体设计包括：针对 TDP-43 的 TDPr3；针对血清淀粉样蛋白 A 中 SSRSFFSFLG 序列的 SAAc8；以及针对淀粉样蛋白-β 中 KGAIIGLMVG 序列的 AbetaF3。

针对 TDP-43，作者对一种现有支架进行了重新设计，使其能够切割该蛋白无序的 C 端结构域。这个结构域会影响液-液相分离和寡聚化；这一设计针对该结构域，而非降解全长蛋白。论文将这一策略描述为一种调节相行为和寡聚化的方式，同时不破坏该蛋白结构化结构域承担的关键核内功能。

团队还设计了笼蔽细胞因子和受体拮抗剂，能够由这些设计蛋白酶选择性激活；论文称，这使得对细胞状态进行生物正交调控成为可能。作者总结称，从头设计能够产生高活性、可编程的蛋白酶，有望应用于治疗、生物技术和生物修复领域。

利益冲突声明指出，已提交临时专利申请 64/047,504 和 63/921,483，涉及相关方法和设计的某些方面；申请文件将 Chen、Wu、Choi、Preetham Venkatesh、Samuel J. Pellock、Hilvert、Asim K. Bera 和 Baker 列为发明人或贡献者。

以半胱氨酸为基础的第二类蛋白酶

第二项研究半胱氨酸蛋白酶的从头设计由 Hojae Choi 担任第一作者，采用一种名为 RFD2-MI 的新型深度学习方法。该方法由团队成员 Brian Coventry 和 Magnus S. Bauer 开发，用于设计能够借助活化的半胱氨酸亲核体，依序列依赖的方式水解多肽骨架的酶。论文报告称，在测试的 69 个设计中，有 13 个具有活性，成功率为 19%；其反应速率相较于背景反应最高提高 3 × 10⁷ 倍。

论文报告称，这些设计出的蛋白酶采用的折叠结构与天然蛋白酶截然不同，TM 分数低于 0.50；6 个晶体结构与设计模型相符，Cα 均方根偏差小于 1.2 Å。这些结构已以登录号 9YNL、9YNM、9YOX、9YOY、9YOZ 和 9YP0 存入蛋白质数据库（Protein Data Bank）。设计流程交替进行 RFD2-MI 骨架生成、ProteinMPNN 序列设计和 AlphaFold 3 筛选。

在对一种名为 Dokki 的蛋白酶进行的一轮重新设计中，89 个生成变体中有 24 个的表现优于原始设计，反应速率提升幅度为 1.2 至 31 倍，其中提升最显著的变体被命名为 Dokki-15。论文报告称，设计出的蛋白酶能在哺乳动物细胞中高效切割靶标；研究人员在 HeLa 细胞中通过报告基因实验展示了这一点，该实验追踪由酶介导的底物重新定位，并以催化失活突变体作为对照。作者的实验和计算分析认为，与活性最高的天然半胱氨酸蛋白酶相比，设计蛋白酶的活性仍有差距，原因在于活性位点的预组织和底物定位还不够完善。

发表历程、资助来源与代码

Nature 于 2025 年 10 月 14 日收到这两篇论文；半胱氨酸蛋白酶论文于 2026 年 9 月 9 日获接收，金属蛋白酶论文则于 2026 年 9 月 15 日获接收。两个研究的早期版本于 2025 年 11 月以 bioRxiv 预印本形式发表：半胱氨酸蛋白酶研究于 2025 年 11 月 22 日发布，金属蛋白酶研究则于 2025 年 11 月 21 日首次发布，之后经过修订，至 2026 年 9 月 27 日推出第四版。

资助声明列出了霍华德·休斯医学研究所、比尔及梅琳达·盖茨基金会、国防威胁降低局、美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院下属的国家过敏症和传染病研究所以及国家老龄化研究所、健康高级研究计划局的 APECx 项目、蛋白质设计研究所的 Audacious Project 和开放慈善项目等资助方。半胱氨酸蛋白酶研究的设计与分析代码已公开发布在两个 GitHub 代码库中；该半胱氨酸蛋白酶论文的作者声明不存在利益冲突。