时隔8个月，卢培龙团队再创世界纪录。

这位2019年入职西湖的PI，一直专注于新兴的蛋白质设计领域。

今年2月，他们首次实现了跨膜荧光激活蛋白的精确从头设计¹（Nature报道，这个“世界首次”亮了），Nature的审稿人给予高度评价。这一次，他们为我们带来更大的惊喜。

北京时间10月16日，西湖大学生命科学学院遗传物质表达与重构全国重点实验室卢培龙研究团队，联合西湖实验室/西湖大学李波、黄晶等团队在Cell期刊上发表了最新研究成果²De novo designed voltage-gated anion channels suppress neuron firing——历时六年艰难探索，他们在世界上首次实现了电压门控阴离子通道的精确从头设计，让这个人工通道不仅像天然离子通道一样“能开、能关、能筛选”，而且“能调控”；

他们还首次在国际上完成了人工设计跨膜蛋白质的体内实验，在小鼠模型上验证了这个人工通道对小鼠神经元活动的调控。

如果说，上一次他们创造的“世界首次”，亮了；那么，这一回他们带来的“世界首次”，“活”了！

论文链接：https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)01091-8

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//www.plumazon.com/news_events/westlakenews/Research/202510/t20251016_60345.html

01

此刻，也许你正在思考，什么是“离子通道”？

人体内，神经细胞、肌肉细胞等大部分细胞的表面，都分布着离子通道。它们的任务是连接细胞内外，精准传递信息。神经传导、肌肉收缩、心脏跳动，甚至胰岛素分泌，都离不开离子通道的精准调控。

天然电压门控离子通道设计精巧，既能通过感知细胞内外的电压变化，控制通道的“开”“关”，还可以选择性地让特定离子通过，就像机场、高铁站里的“安检闸机通道”，先核查身份，再自动放行。

如何设计这种镶嵌在细胞膜上的特殊蛋白质，一直是卢培龙实验室的研究重点。

但想要复刻精妙绝伦的天然设计，并不是一件容易的事情。

这个通道，必须能牢牢嵌在细胞膜上，确保在频繁“开关”时，结构不发生损坏，这需要把蛋白质的骨架设计得非常坚固；

这个通道，得新装一个关键“闸机”，能感知电压的变化，并随之自动开合。从“静态”到“动态”，这样的蛋白质设计从无先例；

这个通道，还要具备精准的“筛选”功能，这对通道的“孔径大小”“电荷分布”都提出了极高的要求

当周晨第一次听到这个课题时，曾有过一闪而过的茫然，真的能做成么？

那时卢培龙刚刚从西雅图返回，加入西湖大学；周晨刚刚从同济大学毕业，成为卢培龙的博士生。

但选择了蛋白质设计这个赛道，就是选择了一条少有人走的路。

02

“结构决定功能”，卢培龙经常听校长施一公重复这句话。

设计离子通道的第一步，就是在细胞膜上打造一个稳定且适配“开关”功能的骨架，就像建房子要先搭脚手架。

这个环节对于卢培龙团队而言并不陌生。早在2020年，他们已经实现了跨膜孔蛋白的从头设计³。

但这一次的任务更为复杂，要在通道里增设“开关”，还要让它“动”起来，具备“闸机”的安检功能。

结合了传统蛋白质设计算法与深度学习方法，周晨经过反复计算模拟，推演出一个人工离子通道雏形（图1），来看下面这张图——

图1. 从头设计15根α螺旋的五聚体跨膜蛋白

左侧是“俯视照”，这是一个五聚体蛋白，像香港特别行政区区旗上的五瓣紫荆花。因为四聚体蛋白完全闭合，中间没有通道⁴；六聚体蛋白则是完全打开，没有开关³。只有五聚体蛋白，中间的孔道区域恰好能形成供离子通行的“通道”，完美平衡了空间与功能的需求。这是自然界和之前从头设计领域尚未探索过的结构空间。

右侧是“正面照”，可以看出它是一个“倒漏斗”型。研究团队发现，如果把通道设计成圆柱形，离子可以自由来去，失去了“门控”与“单向运输”功能。

蛋白质设计的基本流程，就是根据预设需要的功能推演出对应的结构，再反推能折叠出这个结构的氨基酸序列。在电脑前趴伏许多个日夜后，周晨最后输出了一组编码，也就是膜蛋白序列——

VEILLKIIILIIFAVIVAAAAILWALKAKALTVVTMLLGVLLFLVRLAIRFFIRVIERLLKEGKEEEAEKLAKKLVLFIALFVLFIIMVVWALMKLL

然后，通过基因合成，承载着遗传信息的DNA分子变成了试管里一层极为透明的薄膜，研究团队将它溶解后，转入大肠杆菌中，历经从DNA-RNA-蛋白质的经典生命程序，最终组装成理想中的通道骨架。

通过冷冻电镜解析验证，骨架的电镜结构与设计模型高度相似，跨膜区的误差只有1.33 埃，埃是长度单位，1埃大概相当于一粒沙子直径的千万分之一。（图2）

图2. tmZC8-BTB冷冻电镜结构与设计模型的比较

03

“安检通道”建好了，“闸机”哪里来？

如果说，搭骨架还能依靠以前的积累，那么制造“闸机”这一步，完全是全新的挑战。

想要离子通道能够响应电压变化并发生形态变化，实现“闸机开合”，那么，“闸机”就必须带电。研究团队设计的是阴离子通道，根据“异性相吸”的原则，他们选择将带正电的精氨酸作为门控氨基酸，作为“闸机”的门。它主要起两个关键作用：电压传感器（感应细胞内外的电压变化并发生构象变化控制通道的开闭）和离子选择过滤器（只让阴离子通过）。

但将精氨酸“闸机”通过基因突变植入“安检通道”后，他们却发现细胞随着电压的变化，电流没有显著的改变，这意味着离子并没有通过这个“闸机”，本应畅通的通道仿佛堵住了。

或许仅一层精氨酸力量不够，不足以推动“闸机”开合？

跨膜通道全长约5.5纳米，或许精氨酸所在位置不对，对“闸机”开合有影响？

电压加到多大合适？10毫伏？20毫伏？50毫伏？

……

研究团队捕捉每一个蛛丝马迹，变换各种方向探索尝试。但是电脑屏幕上那条电流记录线，始终如生命终止时的心电图一般，没有任何波动。

到底问题出在了哪儿？

团队仔细研究了电镜结构的密度以及通道内的氨基酸组成，发现原来有6条脂质分子堵在孔道中央。在通道相应的位置引入三层精氨酸后，终于，在2024年1月，电压加到40毫伏的那一刻，团队突然发现电流曲线开始跳动，抬头，然后急剧上扬（图3A-3B）！

图3. 从头设计电压门控阴离子通道及其电生理实验验证

看到这一张结果图的卢培龙，激动不已：这意味着人工设计的离子通道在电压驱动下打开了！而且电压越高，“闸机”打开的概率越大，完全符合“电压门控”的设计初衷。

此时，从结构解析到功能验证，已经过了整整一年半。

接下来，他们又测试了“闸机”的离子“筛选”功能，与预期一致，该人工通道仅能通过阴离子，而不能通过阳离子。

让我们放大近千万倍，来看一下全世界首个人工设计的离子通道“闸机”——

它由15个精氨酸构成，一层5个，共三层。顶层精氨酸R157负责“识别电压、开闸放行”；中层精氨酸R161则负责“引导离子单向通行”；底层精氨酸R165负责“补充电场”（图3A）。

当电压达到40毫伏时，它们通过改变自身形态，实现通道开放功能，并且只向阴离子开放，引导它们按照Cl⁻ > Br⁻ > F⁻ > NO₃⁻ > I⁻的顺序依次通行（图3C-3D）。

至此，研究团队实现了蛋白质设计领域的一次重大突破——从设计“静态结构的膜蛋白”，到可以设计“具有动态变化、能够对外界刺激做出响应并发生构象变化的跨膜蛋白”。他们将这款具备完整“开关”功能的人工离子通道命名为dVGAC（de novo voltage-gated anion channel, 从头设计的电压门控阴离子通道）。

04

2024年7月31日，团队将此项工作整理后投稿到Cell杂志，投稿后1周即送审，经过1个多月的等待，3位国际审稿人一致认为这是一项重大突破——

"this is a remarkable achievement that will be of interest to many readers in ion channel structure and function"；

"a technical tour-de-force”and“are of importance and of broad interest”；

"The work is significant that it is the first example of de novo design of a voltage-dependent ion channel”。

但是，他们提出一个了更具挑战性的问题：即人工设计的离子通道能否在生理条件下发挥作用？

当时团队设计的“闸机”开门电压是40毫伏，而人类神经元实际活动时响应的电压通常小于40毫伏。若想让人工离子通道适配神经调控，必须将“开门电压”降低到40毫伏以下。

再一次，研究团队通过设计通道，把底层精氨酸R165单点突变成一个带负电的氨基酸（R165D），相当于额外添加了一个电场，让离子通道“闸机”开关的电压降至20毫伏（图4A-4C）。

与此同时，在三层“闸机”基础上，研究团队又额外再加一层突变的精氨酸（L153R），让“闸机”的筛选功能更强大，可以选择让哪个离子优先通行（图4D-4F）。

图4. dVGAC电压敏感性与离子选择性的调控特性

师法自然，最终是为了超越自然。

最后一步，也是关键的一步，卢培龙团队与李波团队合作，在小鼠模型上做实验，验证人工设计的离子通道能不能在活体中起作用。李波是神经生物学家，在美国冷泉港工作多年。这也是国际上第一次将从头设计的膜蛋白在动物体内进行实验。

六年的努力与付出，最后凝聚成不到一微升的溶液，小心翼翼地打入小鼠体内，将这些人工设计的离子通道蛋白植入到小鼠大脑的神经元上。他们发现，小鼠大脑内神经元的放电频率显著降低，这意味着“闸机”已经在生理条件下开始调控神经的活动了（图5）。

图5. dVGAC1.0抑制小鼠脑内神经元活动

有人说，科学最令人着迷的就是探索未知的无限可能。

与天然离子通道相比，从头设计的电压门控阴离子通道dVGACs具有独特的结构——离子选择性和门控机制，这在自然界中尚未被发现。

更重要的是，人工设计的离子通道具有“可调控性”，可以根据需求调整“闸机”的开放阈值、离子通行顺序、通行的快慢，可以在活体中发挥作用，为精准调控神经元活动提供了全新工具（图6）。

这展示了蛋白质从头设计的优雅之处与巨大潜力，同时也意味着我们距离调控细胞和神经活动的人工设计离子通道蛋白药物的开发更近了一步。

图6. 从头设计可抑制小鼠脑内神经元活动的电压门控阴离子通道dVGACs

回放卢培龙团队的西湖之旅——

2019年加入西湖大学，组建蛋白质设计实验室：

2020年，首次实现跨膜孔蛋白的精确从头设计³；

2024年，成功建立了镜像蛋白的从头设计和定向进化体系⁵；

2025年2月，首次实现了跨膜荧光激活蛋白的从头设计¹；

2025年10月，首次实现了电压门控阴离子通道的精确从头设计²。

我们追问，当人工设计离子通道被植入小鼠后，究竟会对其行为产生怎样的影响？

卢培龙微笑着说：正在进行中！

科研的路，不知道需要多少步，但我们相信，每一步都算数。

西湖大学博士生周晨、博士生李辉灿和博士生王佳兴为该论文的共同第一作者。西湖大学卢培龙研究员为最后通讯作者，吴坤博士、黄晶研究员、讲席教授李波为共同通讯作者。特别感谢西湖大学博士生钱程、熊晖博士、初智霖博士、邵齐明博士、李轩博士、硕士生孙诗津、孙科博士、清华大学靳雪芹博士以及浙江大学杨帆教授等为该研究做出的贡献。

研究团队（从左至右）：李波、熊晖、李辉灿、周晨、王佳兴、钱程、黄晶、卢培龙

References:

1. Zhu, J., Liang, M., Sun, K., Wei, Y., Guo, R., Zhang, L., Shi, J., Ma, D., Hu, Q., Huang, G., and Lu, P. (2025). De novo design of transmembrane fluorescence-activating proteins. Nature 640, 249-257. 10.1038/s41586-025-08598-8.

2. Zhou, C., Li, H., Wang, J., Qian, C., Xiong, H., Chu, Z., Shao, Q., Li, X., Sun, S., Sun, K., et al. (2025). De novo designed voltage-gated anion channels suppress neuron firing. Cell 188, 1-17. https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.09.023.

3. Xu, C., Lu, P., Gamal El-Din, T.M., Pei, X.Y., Johnson, M.C., Uyeda, A., Bick, M.J., Xu, Q., Jiang, D., Bai, H., et al. (2020). Computational design of transmembrane pores. Nature 585, 129-134. 10.1038/s41586-020-2646-5.

4. Lu, P., Min, D., DiMaio, F., Wei, K.Y., Vahey, M.D., Boyken, S.E., Chen, Z., Fallas, J.A., Ueda, G., Sheffler, W., et al. (2018). Accurate computational design of multipass transmembrane proteins. Science 359, 1042-1046. 10.1126/science.aaq1739.

5. Sun, K., Li, S., Zheng, B., Zhu, Y., Wang, T., Liang, M., Yao, Y., Zhang, K., Zhang, J., Li, H., et al. (2024). Accurate de novo design of heterochiral protein-protein interactions. Cell Res 34, 846-858. 10.1038/s41422-024-01014-2.

卢培龙实验室简介：

卢培龙研究组致力于合成生物学、生物物理学、生物化学与计算生物学多学科交叉研究，研究方向为蛋白质设计。近年来，在Cell，Nature，Science等期刊以通讯作者或第一作者身份发表多篇论文。主持国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目。

实验室主要研究内容包括：

（1）重大疾病相关膜蛋白质的拮抗蛋白质设计：拮抗蛋白质主要靶向作用于离子通道蛋白以及膜受体蛋白特定区域，并调控其生理功能；

（2）为解决重大生物学问题设计新型蛋白质工具；

（3）功能性膜蛋白质设计：主要包括新型跨膜纳米孔蛋白质、新型离子通道、以及新型膜受体的人工设计。

个人主页：//www.plumazon.com/faculty/peilong-lu.html