Nature:AI赋能人工蛋白质结构精准设计

由韩国科研人员牵头的国际团队借助人工智能（AI）技术，成功创制出大批量的蛋白质构造，这些构造精准还原了天然病毒的自组装机制。

韩国科学信息通信技术部透露，浦项科技大学化学工程系李尚民教授携手2024年诺贝尔化学奖得主、美国华盛顿大学贝克教授，联合研发出一套全新设计法则，能让单一蛋白质组件同时构建五边形与六边形阵列，进而自发组装成类病毒形态。

在韩国科学信息通信技术部项目资助下，该科研成果于韩国时间5月21日（周四）零点登载于全球顶尖学术期刊《自然》。

蛋白质纳米笼：极具潜力的次世代药物递送载体

蛋白质纳米笼现已发展为生物医学界极具潜力的新一代药物递送载体。此类中空纳米级构造由多种蛋白质自发结合而成。其内部空腔能稳固装载药物、基因物质及酶，外壳则可锚定抗原。

然而，传统设计手段过度仰赖计算推导的“绝对对称构造”，这极大束缚了单一蛋白质组件所能达成的尺寸与复杂度。

复刻自然法则：准对称性

反观自然界中的病毒，它们能将同一种蛋白质重复数百乃至上千次，同时精妙调整各蛋白质的方位与微环境，借此构筑庞大的衣壳。此机制即为准对称，而本研究恰在人造蛋白质设计领域成功复刻了这一深奥的自然法则。

研究团队洞察到，拓展病毒衣壳尺寸的核心在于蛋白质组件间的夹角与曲率。若蛋白质排列过于平坦，衣壳便无法封合；若曲率过大，构造又会偏小。通过精准调控这一平衡，团队引导单一蛋白质依其组装位置同时融入五边形与六边形环境。

为达成此目标，研究人员以三聚体单元（三蛋白聚合体）为基础组件，并运用基于AI的蛋白质结构生成工具RFdiffusion来创制全新连接构造。宛如以各异角度拼插积木，该策略促使蛋白质以多向组合，孕育出巨型穹顶状外壳，而非扁平薄片。

冷冻电镜实验确证

团队借助大肠杆菌合成出设计好的人造蛋白质，并运用前沿冷冻电子显微镜观测其形貌。结果确证，此类蛋白质可自组装为球状外壳，尺寸跨度从70纳米至220纳米。最小构造呈精心设计的“纳米足球”状，最大者则为其三倍有余。

意义与前景

此项研究引发学界高度瞩目，因其未沿用既有病毒蛋白，而是凭借单一且全由AI设计的人造蛋白自由构筑巨型类病毒构造。一旦商业化，该技术有望催生整个生物医学领域的颠覆性应用，涵盖靶向给药、基因递送体系及疫苗抗原呈递平台。后续研究拟引入内部支架蛋白或核酸作模板，以达成更均一的尺寸管控。

另外，贝克教授与李尚民教授合作的人造蛋白质构造相关研究亦于同期见诸《自然》杂志。

由此，李尚民教授成为全球顶级学术期刊同日刊发论文的通讯作者兼另一篇论文的合作者——此乃一项罕见且卓越的成就。

“病毒堪称自然界的绝佳典范，它昭示出绝对对称绝非构建复杂分子构造的唯一路径。”浦项科技大学李尚民教授指出。

他阐释道，正如分子砌块间夹角的微调能将平面化作巨型穹顶，本研究证实，对局部蛋白质组件几何形态的精准把控，可对终极组装的尺寸与形貌进行细微调节。

韩国科学技术院研发政策局长金成洙（音）点评道：“此番与诺奖得主联袂，印证了韩国顶尖科学家的世界级基础科研实力。”他亦重申：“韩国科学技术院将一如既往地鼎力支持韩国学者提升科研水准，缔造全球领先成果。”

参考文献

Design of one-component quasisymmetric protein nanocages