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用AI重新设计赋予蛋白酶进化更高的起点,改造天然序列解锁超过79倍特异性提升

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蛋白质进化一直是生命科学中创造新功能的重要方式。

通过定向进化,科学家可以让天然蛋白获得新的催化能力、底物偏好或更高活性。但这一过程始终面临一个限制:蛋白序列并不是越容易改变越好。许多突变虽然能够带来新的功能,却也会破坏蛋白稳定性,使后续进化陷入瓶颈。

那么,如果在进化开始之前,先利用 AI 重新设计一个更加适合作为「起点」的蛋白,是否能够让后续进化探索更广阔的空间?

来自哈佛大学、Broad研究所和霍华德·休斯医学研究所等的研究人员,于 2026 年 7 月 22 日在《Nature》发表了一项研究「AI-redesigned starting points and outcomes enhance protein evolution」,为这一困境提供了一个出人意料的解决方案。



论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-026-10820-0

为进化垫高起点

自然界经过数亿年的演化,已经产生了大量具有稳定结构和功能的蛋白。然而,当科学家希望让这些蛋白获得自然界中不存在的新能力时,天然序列往往并不是最理想的起点。原因在于,蛋白功能和稳定性之间存在复杂平衡。

一个蛋白如果过于稳定,可能难以产生新的结构变化;但如果突变过多,又可能导致蛋白无法正确折叠,失去原本功能。因此,实验进化过程中存在一个核心矛盾:如何在保持蛋白基本结构和活性的同时,让它拥有更多可以探索的新序列空间。

这正是论文中 AI 设计方法发挥作用的位置。不过,这并非意味着让 AI 直接设计新功能——那仍超出当前能力边界——而是让 AI 重设计已有酶的序列,在不触动催化核心的前提下系统提升稳定性。他们将这个概念称为「AI-redesigned starting points」(AI 重设计进化起点)。



图 1:整合计算蛋白序列设计与连续进化的概述,以及稳定化 BoNT/E 蛋白酶的重新设计。

为什么选择肉毒杆菌神经毒素(BoNT)蛋白酶?这类酶已被证明可通过 PACE 重编程底物特异性,且其天然底物 SNAP25 与许多治疗靶点差异巨大。更重要的是,历史经验表明,从野生型 BoNT 出发重编程后,变体往往稳定性下降、表达量降低——恰好是检验「起点质量」的试金石。

为了重新设计这些蛋白,研究团队使用了两种AI辅助蛋白优化方法:

一种是基于结构信息的序列优化方法ProteinMPNN;另一种是用于提高蛋白稳定性的设计工具PROSS。两种方法虽然目标相似,但设计逻辑不同。

ProteinMPNN 根据蛋白三维结构信息,预测哪些氨基酸组合更可能形成稳定结构。它并不是简单寻找与天然序列相似的替代方案,而是在保持整体结构约束的情况下,探索更加适合该结构的新序列。

PROSS 则主要关注蛋白稳定性,通过分析结构中的关键区域,对可能影响折叠和稳定性的位点进行优化。

研究人员随后将这些 AI 重新设计后的序列进行实验验证,筛选出能够正确表达、保持催化能力,并且具有更高稳定性的蛋白变体。

这些经过 AI 优化的蛋白,成为后续实验进化的新起点。

图 2:结合 PACE 进化的 BoNT/E 突变与 ProteinMPNN 重设计,提升了重编程 PTEN 切割 BoNT/E 蛋白酶变异的表达水平和活性。

特异性差距的背后

团队选择了三种不同的 BoNT 蛋白酶作为模型体系,并分别构建了天然序列起点、AI 优化序列起点以及经过稳定性改造的序列起点。随后,研究人员利用 PACE 系统对这些蛋白进行连续进化,通过不断施加选择压力,观察不同起始蛋白是否能够产生更优的新功能。

实验结果显示,AI 重新设计的蛋白确实改变了进化轨迹。

与天然蛋白相比,经过 AI 优化后的起点更容易产生具有目标功能的变体。这说明 AI 设计并不是简单提高某一个蛋白当前状态下的性能,而是在改变蛋白能够探索的序列空间,使后续实验进化更容易找到有效方向。



图 3:PACE 底物面板上序列设计蛋白酶的进化性。

为了进一步测试 AI 辅助进化是否能够产生新的功能,研究团队不仅关注蛋白活性的提高,还检测了这些进化后蛋白是否能够识别新的目标底物。

其中一个重要实验,是针对 Ataxin-2 蛋白序列的切割能力测试。

Ataxin-2 是一种与神经退行性疾病相关的重要蛋白。研究人员希望观察,通过 AI 优化起点并结合 PACE 进化,是否能够让 BoNT 蛋白酶获得针对新底物的识别能力。

实验显示,经过 AI 重新设计和后续进化后的蛋白,能够产生更强的 Ataxin-2 切割活性,同时保持较好的底物选择性。其中部分变体相比原始蛋白,在目标识别能力上实现了显著提升,特异性最高提高约 79 倍。



图 4:序列重设计与 WT 蛋白酶的重编程,特异性地切割治疗性非天然靶点。

自然选择到计算预选择

AI 重新设计提供了一种新的入口:先利用结构信息和机器学习方法优化蛋白基础属性,再让实验进化在更有潜力的空间中继续搜索。

这种方法将计算设计与实验选择结合起来,使蛋白工程从单纯依赖随机探索,逐渐转向更加有方向性的探索。

当然,这一方法仍然存在限制。例如,AI 设计是否能够推广到更多类型蛋白,如何进一步预测哪些设计起点最适合特定进化目标,以及如何降低实验筛选成本,仍然需要进一步研究。

当稳定性不再是瓶颈,蛋白质进化的搜索空间从悬崖边的狭窄小径,扩展为高原上的广阔平原。未来的定向进化,或许不再始于自然,而始于 AI 铺好的台阶。

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