从特定结构设计钙离子通道

天然离子通道在生物系统中发挥关键作用，其工程化版本被广泛用作化学遗传学工具和传感装置1,2。蛋白质设计已被用于生成含孔跨膜蛋白，但设计具有精确排列的氨基酸侧链（对目标离子具有特异性）的选择性过滤器——这是天然离子通道的关键特征3——受到限制，原因是缺乏在原子水平精确定位金属配位残基的方法。本文描述一种基于RFdiffusion的自下而上方法，通过定义的选择性过滤器残基几何结构构建钙离子通道，并利用该方法设计对称的寡聚通道，其钙离子选择性过滤器在由多个跨膜螺旋支撑的较宽孔道入口处具有不同的配位数和几何结构。设计的通道蛋白组装成均一的含孔颗粒，对于四聚体和六聚体离子配位构型，膜片钳实验表明，设计的通道对钙离子的传导性高于钠离子和其他二价离子（锶离子和镁离子），而这些传导性在选择性过滤器残基突变后消失。冷冻电镜显示该设计方法具有高精度：六聚体钙离子通道的结构与设计模型几乎完全一致。这种自下而上的设计方法现在能够通过直接构建来测试有关过滤器几何结构与离子选择性关系的假设，并为创建用于广泛应用的选择性离子通道提供了路线图。