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我们体内绝大多数蛋白质都存在持续摆动的区域，每几纳秒就会发生构象变化，完全改变自身形态。这类蛋白的功能信息对于理解健康与疾病、开发针对癌症、神经退行性疾病及其他多种疾病的药物至关重要。但科学家一直难以精准阐明这些区域的功能机制，以及它们在疾病中发生功能异常的过程。
圣路易斯华盛顿大学医学院与雪城大学的研究人员现已开发出一款工具，可设计这类“无序”蛋白，即内在无序蛋白区域（intrinsically disordered protein regions, IDRs），并解析其功能。研究团队指出，这项创新有望加速对生物学领域这片广阔且研究不足的方向的科学探索。
华盛顿大学医学院生物化学与分子物理系副教授Alex Holehouse博士是该团队发表于《自然》（Nature）的论文的共同通讯作者与共同牵头研究者，论文标题为《用于序列-功能研究的无序蛋白理性设计》。研究人员在文中说明：“本研究将理性序列设计作为探索IDR功能的强有力方法，为功能性无序蛋白的设计提供了一款通用工具。”
科学家研究蛋白质的一种重要方式是设计分子的人工合成等价物，随后通过多种方式对其进行测试。截至目前，这类蛋白质设计的进展几乎完全适用于具有明确三维结构的“折叠”蛋白或蛋白的折叠区域。
然而70%的人类蛋白都包含内在无序蛋白区域（IDRs），这类区域不具备稳定的三维结构。研究团队解释道：“IDRs以动态集合的形式存在，包含一系列可快速互变、结构各异的构象。”这些区域在多种不同细胞进程与人类疾病中发挥关键作用，但研究人员预测其行为、或设计合成版本以研究其功能的能力十分有限。作者进一步写道：“尽管IDR十分重要，但系统验证IDR序列与分子功能之间的关联仍面临挑战。虽然折叠蛋白的理性设计近年来已取得重大进展，但我们设计IDR的能力仍较为受限。”
Holehouse表示：“人们通常用于研究和设计稳定折叠蛋白的方法，对于无序蛋白而言效果并不理想。”他与同事、同系教员Ryan Emenecker博士（本研究的核心开发者与共同通讯作者）近五年来一直在研究应对这一挑战的替代方案。
Holehouse、Emenecker及其合作者，包括共同通讯作者、雪城大学化学系教员Shahar Sukenik博士，现已公布了这套蛋白设计系统的开发成果，他们将其命名为GOOSE，是“Generate disOrdered prOtiens Specifying propErties（指定属性的无序蛋白生成工具）”的缩写，命名方式也巧妙呼应了无序蛋白的特性。
GOOSE内置了与特定细胞功能相关的蛋白构件序列的大型数据库，可输出定制化无序蛋白的设计蓝图，随后可通过基因工程细胞表达合成这些蛋白。科学家可按需删除或添加构件，测试其对细胞活性的影响。研究团队指出：“GOOSE可快速设计从头合成的人工IDR以及给定序列的突变体，为序列空间【注释：指所有可能的氨基酸序列集合】的广泛探索提供便利。GOOSE可基于序列属性（如氨基酸组成、电荷、疏水性、电荷模式）、构象属性、化学特异性分子间相互作用或任意设计约束（如特定三维构象集合）设计IDR。”
Emenecker表示：“借助我们的平台实现大规模无序蛋白设计，现在我们可以解析其组成序列如何影响细胞，同时为我们提供了一个视角，以研究这些蛋白的自然突变如何驱动癌症等疾病的发生。”
这项技术有望推动医学进展。Holehouse是巴恩斯犹太医院与华盛顿大学医学院共建的萨特曼癌症中心的研究成员，目前正在优化基于无序蛋白的治疗药物。Holehouse与Emenecker已获得一项资助，用于改进嵌合抗原受体T细胞（CAR-T细胞）——这是一种抗癌疗法，通过对免疫细胞进行基因改造使其攻击肿瘤细胞。
CAR-T细胞表面的一个关键蛋白包含一个无序区域，可调控细胞的攻击应答。截至目前，提升其癌细胞杀伤性能的科学研究主要通过试错法开展。
Holehouse表示：“借助我们的技术，我们可以设计出性能更优的无序区域版本，以不同方式执行信号传导功能。我们有望突破目前限制CAR-T疗法疗效的各类约束，这是该工具推动医学进步的一个非常具体的应用场景。”
在各类应用中，GOOSE的首批测试之一是生成可帮助细胞响应外界胁迫（本研究中为干旱胁迫）变化的人工蛋白。Emenecker称：“我们能够非常快速地设计出2300种可响应酵母干旱条件的不同蛋白。”他指出，这些人工蛋白中多数都能按预期发挥功能，帮助细胞在干燥后恢复，证明了GOOSE的实用性。更具前景的是，其中许多蛋白的性能远优于酵母的天然蛋白。
这项研究是美国国家科学基金会一项更大规模计划的组成部分，该计划旨在培育环境抗逆性更强的作物，本研究成果直接为Holehouse、Emenecker与Sukenik正在开展的相关工作提供支持。
Emenecker表示：“从更广泛的层面来看，这项研究为开发新型传感器提供了可能，这类传感器可感知天然序列无法响应的外界物质，如毒素或细胞损伤，其潜在应用价值极高。”研究团队在论文中总结道：“综上，本研究充分展示了GOOSE可用于解析IDR的序列-功能关联。”