夜雨聆风韩国科学家领导的国际研究小组利用人工智能（AI）成功地设计出了大规模蛋白质结构，这些蛋白质结构忠实地复制了自然发生的病毒的自我组装原理。
科学信息通信技术部表示，浦项工科大学化学工程系李尚民教授与2024年诺贝尔化学奖获得者美国华盛顿大学教授贝克（David Baker）共同开发了一种设计原理，可以使单个蛋白质成分同时形成五边形和六边形排列，并自组装成类似病毒的结构。
由MSIT项目支持的这一研究结果于韩国时间5月21日（星期四）零时在世界最具权威的学术杂志《自然》上发表。
蛋白质纳米笼：最有前途的下一代药物输送平台
蛋白质纳米笼已成为生物医学领域中最有前途的新一代药物递送材料。这些是中空的纳米级结构，通过多种蛋白质的自发结合而形成。它们可以在内部空间稳定地携带药物、遗传物质和酶，而抗原可以附着在它们的外壳上。
然而，现有的设计技术在很大程度上依赖于计算推导的“完美对称结构”，这严重限制了单个蛋白质构建块可实现的结构的大小和复杂性。
复制大自然的蓝图：准对称
相比之下，在自然界中发现的病毒使用一种蛋白质重复数百到数千次，同时巧妙地调整每种蛋白质的位置和局部环境，以构建巨大的外壳。这个原理被称为准对称，这项研究已经成功地在人造蛋白质的设计中实现了这个复杂的自然原理。
研究小组认识到，扩大病毒外壳大小的关键在于蛋白质构建块之间的角度和曲率。当蛋白质排列得太平坦时，外壳就无法闭合；当曲率太大时，结构就会变小。通过精确地设计这种平衡，该团队诱导单个蛋白质根据其在组装中的位置同时占据五边形和六边形环境。
为了实现这一目标，使用三聚体单元（由三种蛋白质组成的簇）作为基本构建块，并使用基于人工智能的蛋白质结构生成工具RFdiffusion来设计新的连接结构。就像以不同角度堆叠互锁的积木一样，这种方法使蛋白质能够以不同的方向组合在一起，产生一个巨大的圆顶状外壳，而不是一个扁平的薄片。
低温电镜实验验证
该团队利用大肠杆菌制造出设计的人工蛋白质，并使用最先进的冷冻电子显微镜观察它们的形态。结果证实，这些蛋白质自发地组装成球形壳，大小从最小的70纳米到最大的220纳米。最小的结构采用了一个精心设计的“纳米足球”的形式，而最大的是它的三倍多。
意义与未来展望
这项研究引起了科学界的极大关注，因为它没有重新利用现有的病毒蛋白，而是使用单一的、完全由人工智能设计的人工蛋白来自由构建大型病毒样结构。如果商业化，这项技术有望实现整个生物医学领域的变革性应用，包括靶向药物和遗传物质输送系统以及疫苗抗原呈递平台。后续研究还计划使用内部支架蛋白或核酸作为模板实现更均匀的尺寸控制。
此外，贝克教授和李尚民教授共同研究的人造蛋白质结构相关研究也在同一天发表在《自然》杂志上。
这使得李尚民教授成为世界上最重要的科学期刊同时发表的一篇论文的通讯作者和另一篇论文的共同作者-这是一项非凡而罕见的成就。
“病毒是自然界中最好的例子，它表明完美的对称并不是复杂分子结构的唯一途径。”浦项工业大学李尚民教授说。
他解释说，就像分子瓦片之间角度的细微变化可以将平面变成巨大的圆顶一样，这项研究表明，对局部蛋白质块几何形状的精确控制可以对最终组装的大小和形状进行微调。
韩国科学技术院研究开发政策局长金成洙（音）评价说：“这是通过与诺贝尔奖获得者的合作，韩国顶尖科学家的世界级基础研究能力的卓越体现。”他还表示：“韩国科学技术院将继续为提高韩国科学家的研究能力和创造全球领先的成果而提供坚定的支持。”
参考文献
Design of one-component quasisymmetric protein nanocages
