大自然中許多大型分子結(jié)構(gòu)并不是依靠完美對(duì)稱構(gòu)建出來的。相反，它們常常通過局部的不完美、可控的幾何變形和拓?fù)淙毕荩纬蛇h(yuǎn)大于單個(gè)分子尺度的封閉殼層。例如，富勒烯 C60【1】由 12 個(gè)五邊形和 20 個(gè)六邊形拼接成“分子足球”；網(wǎng)格蛋白可以形成包裹囊泡的籠狀結(jié)構(gòu)【2】；許多天然蛋白殼層包括病毒衣殼也利用類似的Caspar-Klug幾何原則【3】，在有限的分子構(gòu)件基礎(chǔ)上涌現(xiàn)出大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)原則被稱為準(zhǔn)對(duì)稱性（quasisymmetry）。在完全對(duì)稱的蛋白籠中，每個(gè)亞基所處的局部環(huán)境完全相同，因此結(jié)構(gòu)規(guī)模受到嚴(yán)格限制：例如單組分二十面體蛋白籠只包含 60 個(gè)亞基【4】；而在準(zhǔn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)中，相同或相似的構(gòu)件可以占據(jù)略有不同的局部環(huán)境，通過五邊形和六邊形單元的組合形成更大的封閉殼層。換言之，大型有序結(jié)構(gòu)并不一定來自絕對(duì)完美的對(duì)稱，而可以來自被精確控制的對(duì)稱性破缺。

然而，如何通過從頭計(jì)算設(shè)計(jì)的方法重現(xiàn)這種準(zhǔn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，仍是蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要難題。準(zhǔn)對(duì)稱組裝的微妙之處在于，蛋白構(gòu)件既要像精密零件一樣可靠配對(duì)，又要像柔性材料一樣允許局部變形：只有這樣，五邊形缺陷才能被嵌入六邊形晶格，使原本只能無限延展的平面網(wǎng)絡(luò)彎曲、閉合，最終形成足球形或類球形外殼。過去幾十年中，人們在 DNA origami【5】、金屬有機(jī)配位組裝和膠體材料等體系中不斷嘗試重現(xiàn)這一原則；在蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，此前偽對(duì)稱性（pseudo-symmetry）研究【6】也已通過多個(gè)結(jié)構(gòu)相似但序列不同的蛋白組分，構(gòu)建出比傳統(tǒng)完全對(duì)稱蛋白籠更大、更復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)。然而，偽對(duì)稱性本質(zhì)上是將不同局部環(huán)境預(yù)先分配給不同分子組件；相比之下，準(zhǔn)對(duì)稱性要求相同或少數(shù)組分在組裝過程中自然進(jìn)入多個(gè)非等價(jià)局部環(huán)境。因此，如何用從頭設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)構(gòu)件編碼這種幾何規(guī)則，并讓準(zhǔn)對(duì)稱殼層通過自組裝自然涌現(xiàn)，仍是蛋白質(zhì)納米材料設(shè)計(jì)中的核心挑戰(zhàn)。

在這一背景下，近日，Nature 雜志背靠背發(fā)表兩項(xiàng)研究，分別題為 Design of one-component quasisymmetric protein nanocages【7】和 De novo design of quasisymmetric two-component protein cages【8】。這兩項(xiàng)工作由華盛頓大學(xué)蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)研究所、NYU Langone Health、POSTECH 等單位合作完成，報(bào)道了通過計(jì)算蛋白設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)大型準(zhǔn)對(duì)稱蛋白納米籠的新策略。兩項(xiàng)研究共同表明，通過調(diào)控蛋白構(gòu)件之間的局部曲率，可以讓蛋白在自組裝過程中自發(fā)打破完美對(duì)稱性，形成由五邊形和六邊形共同構(gòu)成的準(zhǔn)對(duì)稱混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而構(gòu)建直徑從幾十納米到 200 納米以上、包含數(shù)百到數(shù)千個(gè)蛋白亞基的大型蛋白納米籠。

在單組分研究中，Lee、Chmielewski、Wang 等研究人員建立了一個(gè)描述蛋白三聚體之間相互作用角度的幾何參數(shù)空間。完全平面的六邊形晶格和完全對(duì)稱的 T=1 二十面體蛋白籠位于這一空間的兩個(gè)邊界，而更大的 T>1 準(zhǔn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)則處于二者之間。研究團(tuán)隊(duì)利用 RFdiffusion 等生成式蛋白設(shè)計(jì)工具，將預(yù)先驗(yàn)證的 C3 和 C2 對(duì)稱蛋白模塊連接成新的單鏈蛋白亞基，使其具有接近準(zhǔn)對(duì)稱組裝所需的局部曲率。這里的核心思路并不是逐一設(shè)計(jì)每一個(gè)非等價(jià)位置上的相互作用，而是通過設(shè)定整體幾何規(guī)則，讓局部對(duì)稱性在組裝過程中自然破缺。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這一設(shè)計(jì)思路。通過負(fù)染電子顯微鏡和冷凍電鏡，研究人員成功獲得了 T=3 到 T=36 的單組分準(zhǔn)對(duì)稱蛋白籠，直徑約 68–220 nm，包含 180 到 多于2000 個(gè)蛋白亞基。此外，團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)出 1

與單組分體系相呼應(yīng)，由 Wang 主導(dǎo)的雙組分研究展示了另一種互補(bǔ)的幾何構(gòu)造策略。雖然本文為敘事清晰先介紹單組分體系，但雙組分研究較早通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一設(shè)計(jì)思想，并為單組分體系的進(jìn)一步探索提供了重要啟發(fā)。在雙組分體系中，研究人員通過調(diào)控蛋白構(gòu)件的局部曲率，并允許五邊形缺陷在組裝過程中自然出現(xiàn)，使設(shè)計(jì)蛋白能夠閉合成大型準(zhǔn)對(duì)稱納米籠。該體系由構(gòu)成頂點(diǎn)的三聚體蛋白和構(gòu)成邊的二聚體蛋白組成，二者共同形成帶有正曲率的局部六邊形構(gòu)筑單元。由于純六邊形晶格無法封閉成球面，五邊形缺陷可以有效釋放幾何應(yīng)力，最終促使體系閉合成類球形蛋白籠。基于這一構(gòu)造，雙組分體系進(jìn)一步發(fā)展為一個(gè)尺寸可調(diào)、功能可拓展的模塊化平臺(tái)【9】。

這種設(shè)計(jì)的一個(gè)重要優(yōu)勢是可調(diào)性。通過改變二聚體邊連接蛋白所編碼的局部曲率，研究人員可以像調(diào)節(jié)“分子旋鈕”一樣控制蛋白籠的最終尺寸。實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并篩選了一系列不同曲率的二聚體連接蛋白，最終獲得直徑約 40 nm 到 200 nm 以上的雙組分準(zhǔn)對(duì)稱蛋白籠，分子量從約 2 MDa 到超過 50 MDa，其尺寸和復(fù)雜度接近許多天然病毒衣殼。

進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)表征揭示了這些蛋白籠如何實(shí)現(xiàn)閉合。對(duì)于 T=3 設(shè)計(jì)，研究人員解析了二聚體連接蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，并通過冷凍電鏡和冷凍電子斷層掃描觀察完整組裝體。結(jié)果顯示，同樣的頂點(diǎn)蛋白和邊連接蛋白在“六邊形-六邊形”連接和“六邊形-五邊形”連接中呈現(xiàn)不同局部構(gòu)象，說明組裝閉合過程中確實(shí)發(fā)生了設(shè)計(jì)蛋白構(gòu)件的局部對(duì)稱性破缺。對(duì)于更高 T 數(shù)的大型蛋白籠，研究人員還觀察到彎曲六邊形晶格、五邊形缺陷以及部分七邊形缺陷，提示該體系可以通過多種局部拓?fù)淙毕輥磉m應(yīng)大尺度曲面結(jié)構(gòu)。

更重要的是，雙組分體系不僅實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)層面的突破，也展示了功能拓展?jié)摿ΑＳ捎趦蓚€(gè)蛋白組分均具有可暴露的末端，研究人員可以通過基因融合的方式接入熒光蛋白、納米抗體、受體結(jié)合蛋白或其他功能結(jié)構(gòu)域。團(tuán)隊(duì)首先構(gòu)建了帶有 GFP 納米抗體的蛋白籠，并證明其能夠招募 GFP 標(biāo)記的 Cas9 蛋白，提示這類大型蛋白籠有望作為核糖核蛋白等大分子復(fù)合物的裝載平臺(tái)。隨后，研究人員將靶向細(xì)胞表面內(nèi)吞受體的設(shè)計(jì)蛋白標(biāo)簽融合到蛋白籠上，發(fā)現(xiàn)這些功能化蛋白籠可以被細(xì)胞攝取，并在細(xì)胞內(nèi)形成清晰的熒光點(diǎn)狀信號(hào)。

此外，研究人員還展示了這些準(zhǔn)對(duì)稱蛋白籠在細(xì)胞生物物理研究中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的基因編碼納米流變探針尺寸有限，而這些新設(shè)計(jì)的蛋白籠可以在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中表達(dá)和組裝，形成更大且尺寸可調(diào)的熒光顆粒。通過單顆粒追蹤，NYU Langone團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)不同尺寸蛋白籠在細(xì)胞質(zhì)中的擴(kuò)散速度與設(shè)計(jì)尺寸相關(guān)【10】；在山梨醇處理導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)擁擠度升高后，顆粒擴(kuò)散進(jìn)一步降低，說明這些蛋白籠可以作為基因編碼的胞內(nèi)流變探針，用于研究細(xì)胞質(zhì)在不同長度尺度上的物理性質(zhì)。研究人員還證明，細(xì)胞內(nèi)組裝的蛋白籠可以通過 GFP-納米抗體相互作用招募 p53 等目標(biāo)蛋白，并改變其亞細(xì)胞定位，提示該平臺(tái)未來可用于細(xì)胞內(nèi)蛋白重定位、空間蛋白質(zhì)組學(xué)和合成生物學(xué)研究。

總體來看，這兩項(xiàng)研究從單組分和雙組分兩個(gè)方向互補(bǔ)證明，準(zhǔn)對(duì)稱性這一存在于多種天然和人工分子殼層中的結(jié)構(gòu)原則，如今可以通過從頭計(jì)算蛋白設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。其關(guān)鍵概念突破在于，蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)不再局限于構(gòu)建小型、規(guī)則、完全對(duì)稱的納米結(jié)構(gòu)，而是可以通過調(diào)控局部曲率、幾何挫折和拓?fù)淙毕荩審?fù)雜結(jié)構(gòu)在自組裝過程中涌現(xiàn)出來。

這一進(jìn)展也標(biāo)志著計(jì)算蛋白設(shè)計(jì)正在從原子尺度的單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，邁向細(xì)胞器、囊泡和胞內(nèi)組裝體等介觀尺度材料的設(shè)計(jì)【11】。未來，這類準(zhǔn)對(duì)稱蛋白納米籠有望成為新型生物遞送載體、疫苗平臺(tái)、胞內(nèi)傳感器、可編程分子支架以及人工細(xì)胞器的起點(diǎn)。隨著生成式蛋白設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)表征和細(xì)胞工程技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可編程蛋白材料有望在合成生物學(xué)和生物醫(yī)藥應(yīng)用中打開新的設(shè)計(jì)空間。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10464-0；https://www.nature.com/articles/s41586-026-10554-z

制版人：十一

參考文獻(xiàn)

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4. https://www.nature.com/articles/nature18010

5. https://www.nature.com/articles/s41563-021-01020-4

6. https://www.nature.com/articles/s41586-024-07814-1

7. https://www.nature.com/articles/s41586-026-10554-z

8. https://www.nature.com/articles/s41586-026-10464-0

9. https://www.nature.com/articles/s41563-025-02297-5

10. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)30654-8

11. https://www.nature.com/articles/s41586-026-10328-7

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