tmFAP结构模型艺术图。西湖大学供图

■本报见习记者 杜珊妮 记者 冯丽妃

西湖大学卢培龙团队首次从头设计出跨膜荧光激活蛋白（tmFAP），这是第一个通过人工设计得到的能够非共价结合特定小分子的跨膜蛋白。2月20日，相关研究成果发表于《自然》，国际审稿人称之为“杰作”。

卢培龙本科毕业于中国科学技术大学，博士毕业于清华大学，师从中国科学院院士施一公。博士后阶段，他在2024年诺贝尔化学奖得主、美国华盛顿大学教授戴维·贝克实验室工作。

“他们（施一公和贝克）都追求做最有挑战性的课题，这对我影响非常大。做科研一定要有这种态度和信念。”卢培龙在接受《中国科学报》记者采访时说。

一项“杰作”

“膜蛋白是细胞膜系统上的蛋白，约占人类基因组的25%以上。现代药物的靶点超过一半都是膜蛋白。”卢培龙解释说。

在清华大学读博期间，卢培龙师从施一公从事膜蛋白结构生物学研究，曾揭示了与阿尔茨海默病发病直接相关的人源γ分泌酶复合物的首个精细三维结构，为理解阿尔茨海默病的发病机理提供了重要线索。

2015年加入贝克实验室后，卢培龙希望将蛋白质设计手段应用于膜蛋白设计。当时，贝克实验室在蛋白质设计及结构预测领域非常有名，但在膜蛋白设计方面尚未涉足。2018年，卢培龙首次成功精确设计了多次跨膜蛋白结构，填补了这一空白。

然而，仅有结构还远远不够，卢培龙希望赋予人工膜蛋白真正的功能。2019年回国加入西湖大学后，他建立了独立实验室，进一步攻克这一难题。

“如果把细胞膜看作是分隔细胞内外部环境的‘城墙’，那么跨膜蛋白就如同城墙上一系列精密的‘城门’。”卢培龙形象地比喻说，它们可以选择性控制物质进出细胞，特异性识别并允许一些小分子通过，控制膜内外物质能量信息的出入，保障细胞对外界环境的响应，维系生命运转。

许多跨膜蛋白的功能都依赖于与特定分子的相互作用来实现。例如，位于视网膜的视紫红质蛋白，通过与维生素A的衍生物——视黄醛的分子结合，在光刺激下发生构象变化，从而传递视觉信号，帮助大脑识别世界。

然而，从头设计能够精准结合特定分子的跨膜蛋白，是蛋白质设计领域面临的巨大挑战。

问题的棘手性是多方面的，如膜环境的复杂性、膜蛋白表达和纯化的困难，以及小分子结合蛋白的从头设计问题。

卢培龙团队迎难而上，用5年时间攻克难题，从头设计出世界上首个能够特异性结合特定小分子的跨膜荧光激活蛋白。

国际审稿人高度评价这一成果，认为“这是蛋白质设计的一项杰作”，“为蛋白质设计和结构生物学领域带来了令人兴奋的进展”，具有“巨大应用潜力”。

事实上，“杰作”背后，研究团队这几年的路走得并不平坦。

解决“只有上帝才知道”的问题

卢培龙团队构思出一个“两步骤”设计策略：第一步，选择荧光基团HBC599作为目标配体分子，设计出一种水溶性荧光激活蛋白（wFAP），用以验证设计的蛋白质的基本构型和功能；第二步，对其进行调整，将亲水表面改造为疏水表面，转化为具有配体结合能力的脂溶性跨膜蛋白。

思路很清晰，但操作起来并不容易。为了将水溶性蛋白转变为具有功能的跨膜蛋白，研究团队尝试了多种方法。最初，他们采用传统能量算法，试图通过突变氨基酸将蛋白表面亲水性改为疏水性。然而，蛋白质表面变化后，原本设计好的小分子结合口袋的形状和化学结构会改变，使其无法有效结合配体。“这就好像在蛋白中间有一个大洞，需要在蛋白表面‘施工’，还要求‘洞’不能坍塌，本身就非常困难。”卢培龙说。

为了突破瓶颈，他们借助AlphaFold2等人工智能（AI）蛋白质预测神经网络，开发了设计跨膜蛋白的方法，并利用梯度引导的幻觉设计，实现了在保持结合口袋稳定性的同时，优化蛋白质的表面残基，成功创建了符合膜环境需求的跨膜疏水区。

然而荧光基团HBC599在水溶液中没有荧光，只有与蛋白结合后，其构象被固定，才会发出强烈的荧光信号。“如果看到荧光，那就是成功了。如果没有荧光，则说明还需改进。”卢培龙说。

经过一系列调整与优化，团队终于成功设计出与水溶性荧光激活蛋白wFAP核心结构相同，且能与荧光基团HBC599特异性结合的跨膜荧光蛋白tmFAP。其荧光亮度激活超过1600倍，与小分子的亲和力达到纳摩尔级别。

2023年9月，研究团队将论文投给《自然》。5个月后，等来的回复却令人“喜忧参半”。3位审稿人中，两人比较认可这项研究，但其中一人提出一个极具挑战性的技术问题——要求研究团队证明跨膜荧光蛋白折叠成了所设计的三维结构。

当时，研究团队解析了水溶性荧光激活蛋白的三维结构，和设计模型一致，而且跨膜荧光激活蛋白和水溶性版本具有相同的荧光激活能力，关键氨基酸也一致，已经从侧面证明了这一问题。但跨膜荧光激活蛋白结构解析困难，团队之前已经进行了大量尝试，都没有成功。

其实，这位审稿人知道这有多难，他将自己提出的问题形容为“只有上帝才知道”。

不过，卢培龙和团队成员并未因此被“劝退”。卢培龙回忆起读博期间，在导师施一公的指导下，致力于挑战最难的结构生物学问题。当时，在施一公实验室，解析人源γ分泌酶复合物三维结构的课题连续开展了10余年，曾被很多人认为是不可能解决的问题。然而，在他们的不懈坚持下，这一难题最终被攻克，相关研究发表于《自然》，并入选2014年中国十大科技进展新闻。

这一次，卢培龙再次决定挑战自我。

由于新设计的跨膜蛋白较小，仅有170个氨基酸左右，不适用冷冻电镜结构解析，之前尝试了大量晶体学研究，但并没有成功，似乎真的“只有上帝才知道”晶体是否生长。

为了走出困境，卢培龙和团队成员一次次开展头脑风暴，想出破解之法——通过设计，将原本小的跨膜蛋白变大，同时保持稳定性。这一思路最终让团队利用冷冻电镜解析了清晰的跨膜荧光激活蛋白的三维结构，不仅突破了局限性，还创下了世界纪录。“据我所知，这可能是目前世界上使用冷冻电镜解析的最小的配体-跨膜蛋白复合体结构。”卢培龙说。

2024年12月9日，论文经过多轮审稿和修改后被《自然》正式接收。接收的那一天，恰巧是2024年诺贝尔奖颁奖典礼的前一天。彼时，卢培龙抵达瑞典，受邀参加贝克的诺贝尔奖纪念活动，见证历史性时刻。

这位曾经的领路人对他说：“培龙，这是一项重要研究，我很高兴你没有做简单的课题。”

用勇气、兴趣与坚持“开创无限可能”

在西湖大学的个人主页上，卢培龙写着这样一句话：“希望在所有西湖人的共同努力与见证下，西湖大学能成为进行多学科交叉研究的理想殿堂，将奇思妙想变为现实，开创无限可能！”

他和团队的新研究正是一件“让不可能成为可能”的事情。这项研究不仅为跨膜蛋白的从头设计提供了新范式，也为未来开发可遗传编码的生物探针和疾病治疗手段打开了全新的大门。

“这项工作设计的荧光跨膜蛋白在成像应用中具有巨大潜力，特别是跨膜变体，可以开发为传感器用于检测膜电位。”一位国际审稿人如此评价。

成果背后，卢培龙与《中国科学报》记者分享了他一路走来的故事。其中，有人生道路上的幸运，但更多的是探索未来的勇气、对科研的兴趣和热忱，以及面对困难时的坚持不懈。

2008年，还在中国科学技术大学生命学院读大三的卢培龙怀揣兴趣，给彼时在美国普林斯顿大学的施一公发了一封邮件，分享了自己对其发表的一篇膜内蛋白酶评述论文中观点的思考。

这封邮件成为卢培龙人生道路上的一个转折点。之后，卢培龙幸运地以本科生身份进入施一公在清华大学的实验室，开启科研生涯。在清华大学，卢培龙不仅接受了系统的结构生物学训练，还受到施一公的耳濡目染，养成了良好的科研习惯。

“施老师常说的一句话是‘魔鬼藏在细节中、细节决定成败’。他对科研的严谨性和细节的把控至今仍影响着我。”卢培龙对《中国科学报》说。

博士毕业后，卢培龙决定探索蛋白质设计。当时相关研究方兴未艾，尽管他对未来也没有“百分之百的把握”，但他还是想听从内心的召唤，尝试新的方向。2015年，卢培龙成为贝克实验室首位在中国获得博士学位的博士后研究员。

今年，是卢培龙加入西湖大学的第六年，跨膜荧光蛋白设计是他在建立实验室之后便开启的工作之一。他坦言，这一成果背后，离不开西湖大学创造的自由、宽松的学术氛围。

谈及未来，卢培龙表示，将继续围绕膜蛋白设计进行研究，利用膜蛋白感知外界信号的生物学机制，设计全新的蛋白质工具，并将其应用到基础研究与疾病干预中。“我们希望能够推动这种技术的跨学科应用，为生物技术领域取得更多的创新和突破。”

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-08598-8