研究背景与原理 - 氢键对于生物分子结构至关重要，尤其是在β-折叠片层中，其集体强度使蛋白质能够承受高强度的机械和环境压力[3] - 自然界中多种机械稳定性极强的蛋白质，如肌联蛋白免疫球蛋白结构域、丝素蛋白等，都利用其β-折叠结构内部广泛的氢键网络来展现非凡的稳定性[3] - 以肌联蛋白免疫球蛋白结构域为例，在动态力测定中，它通过在β-折叠链之间施加剪切力加载几何力，能够承受数百皮牛的力[3] 研究方法与创新 - 研究团队开创了一条全新的蛋白质设计路径，通过融合人工智能、分子动力学模拟与单分子力谱技术，实现了对蛋白质力学稳定性的精准设计与性能跨越[4] - 开发出一套由AI驱动的计算蛋白质设计新方法，该方法结合AI引导的结构和序列设计以及全原子分子动力模拟的计算框架[6] - 该方法系统地扩展了蛋白质结构，最大化主链氢键网络，将主链氢键的数量从4个增加到33个，从而实现了对蛋白质力学性能的“按需定制”[6] 研究成果与性能 - 研究团队成功从头设计出名为“SuperMyo”的超稳定蛋白质，其性能远超天然同类蛋白[6] - 从头设计的“SuperMyo”的机械展开力随其氢键数量的增加而呈线性增长，其中性能最优的变体的展开力突破1000皮牛，达到天然肌联蛋白免疫球蛋白结构域的5倍以上，将蛋白质力学性能提升至纳牛级别[8] - 该蛋白展现出优异的热稳定性，熔解温度超过100°C，且在150°C的极端高温下仍能保持结构与功能完整性[8] - 由“SuperMyo”制成的热稳定水凝胶，能够在121°C的高压灭菌后仍能保持结构稳定与凝胶状态，而传统蛋白水凝胶在该条件下会变性沉淀[8] 研究意义与前景 - 该研究提出了一种可扩展且高效的计算设计策略，用于从头设计稳健的蛋白质[10] - 该策略为理性设计在极端环境中具有抗性的蛋白质系统提供了一种通用方法[10]