分享一篇发表在Nature上的文章，文章标题“De novo design of modular peptide-binding proteins by superhelical matching”，文章的通讯作者是来自华盛顿大学的David Baker教授、Daniel Adriano Silva教授和来自剑桥大学的Emmanuel Derivery教授。其中Baker教授课题组致力于蛋白质设计方面的研究。
设计能够结合特定多肽的蛋白质在蛋白质组学和合成生物学上具有重要意义。在游离状态下多肽构象多变，通常需要精细设计蛋白质的侧链以结合多肽骨架上的极性基团（以氢键的形式）。然而此步骤繁琐复杂，这使得多肽结合蛋白的设计极具挑战。本文，作者将目光聚焦于一类具有重复序列的特定多肽上。自然界中存在不少能够结合此类多肽的蛋白质，比如犰狳重复蛋白。该蛋白同样包含多个重复单元，每个单元能够对应地与多肽上富含赖氨酸和精氨酸的重复序列结合。并且，此前有报道指出，蛋白质上的重复单元可以被重新设计，从而能够识别其它类型的多肽重复序列。于是，作者在此提出了一种模块化的重复蛋白设计方法，以结合具有任意主链几何形状的重复多肽序列。
实现这一方法需要解决两个主要的技术难点：蛋白上重复单元的间隔和朝向需要与目标多肽相匹配；蛋白质-多肽形成的氢键能够替换多肽-水形成氢键。为解决第一个难点，作者从蛋白质与多肽形成的超螺旋入手，在超螺旋几何结构参数（相邻重复单元的轴向位移、围绕轴的扭转角大小、重复单元质心与轴的距离）的约束下对蛋白质和肽的骨架进行采样。为解决第二个难点，作者考察那些能够与多肽形成双齿氢键的蛋白侧链。双齿氢键的存在能够保证蛋白质以较高的亲和力与多肽结合。然而，形成双齿氢键需要几何结构严格匹配，这导致在对接过程中容易产生较多失败的结果，消耗大量计算资源。为此，作者开发了一种几何哈希方法。这种方法的主要想法是：预先计算好那些形成低能量双齿氢键构象所需要的几何变换（骨架平移，骨架旋转，主链上的两个二面角φ、ψ共六个维度），并将该几何变换转化为一个哈希值，储存于哈希表中。由此，在对接过程只需考虑形成特定的双齿氢键所需的几何变换是否存在于哈希表中，提高了计算效率。
此外，作者通过选取肽重复单元的一部分，探索了不含有重复序列的多肽的结合蛋白设计方法。在实验层面，作者设计了能够在活细胞中结合诱导GFP定位的蛋白质，证实了所设计结合蛋白的稳定性；设计了针对人体蛋白ZFC3H1无序区域中重复片段（PLP*4）的蛋白质，为靶向内在无序区域提供新的解决方案；结合晶体结构解析验证了设计方法能够较为可靠地预测复合物结构。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05909-9文章引用：10.1038/s41586-023-05909-9
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