文章来源公众号：生物世界

蛋白质-蛋白质相互作用（Protein–protein interaction，PPI）是所有关键生物过程的核心。因此，设计出能够精准结合特定蛋白质的结合蛋白（Binder），是蛋白质设计领域的圣杯。然而，由于决定蛋白质-蛋白质相互作用的结构特征的复杂性，使其设计颇具挑战性，传统方法往往需要耗时数月，成功率却不足 1%。

而现在，Nature 期刊最新发表的一篇论文中提出的 BindCraft 技术彻底颠覆了这一局面——仅需一次计算设计，甚至无需实验优化，即可获得高效结合蛋白，成功率高达 10%-100%！

该研究于 2025 年 8 月 27 日发表于 Nature 期刊，论文题为：One-shot design of functional protein binders with BindCraft。论文作者来自洛桑联邦理工学院和麻省理工学院等机构。

该研究开发了一个名为 BindCraft 的蛋白质从头设计平台，可实现功能性结合蛋白的一次性设计。这是一个开源且自动化的从头设计蛋白质结合剂的流程，其成功率在 10%-100% 之间。BindCraft 利用 AlphaFold2 的权重来生成具有纳摩尔级的高亲和力的蛋白结合剂，无需进行高通量筛选或实验优化，即使在没有已知结合位点的情况下也是如此。

使用 BindCraft，研究团队成功设计出了靶向一系列具有挑战性的靶标的结合剂，包括细胞表面受体、常见过敏原、从头设计的蛋白质以及多结构域核酸酶（例如CRISPR-Cas9）。研究团队通过降低患者来源样本中 IgE 对桦树花粉过敏原的结合、调节 Cas9 基因编辑活性以及降低食源性细菌肠毒素的细胞毒性，展示了这些从头设计的蛋白结合剂的功能和治疗潜力。最后，研究团队利用设计的细胞表面受体特异性结合蛋白来重新定向腺相关病毒（AAV）衣壳，以实现靶向基因递送。这项研究在计算设计方面朝着“one design-one binder”的方法迈出了重要的一步，在治疗学、诊断学和生物技术领域具有巨大的潜力。

BindCraft 的核心突破在于逆向改造蛋白质结构预测 AI 模型——AlphaFold2。传统方法需人工设计数百万候选分子，再进行进一步筛选，而 BindCraft 直接通过反向传播算法，让 AI 从目标蛋白结构“倒推”出匹配的全新结合蛋白。

BindCraft 通过动态建模（靶点与结合蛋白同步优化结构）、智能进化（用神经网络迭代优化蛋白表面氨基酸）、双重过滤（AlphaFold 置信度+物理规则双重质检，淘汰不可靠设计）实现设计效率的显著提升。成功率高达 10%-100%，平均可达 46.3%，设计的结合蛋白的结合强度可达纳摩尔级，相当于抗体药物水平。

为了验证 BindCraft 设计的结合蛋白的实际效果，研究团队对细胞表面受体、常见过敏原、从头设计的蛋白质以及多结构域核酸酶（例如CRISPR-Cas9）进行了一系列设计和测试。

1、设计抗体药物：研究团队针对具有治疗意义的细胞表面受体设计了结合蛋白，包括 PD-1、PD-L1、IFNAR2、CD45 等，无需进行大量设计和筛选，即可找到亲和力达纳摩尔级别的结合蛋白，有望加速抗体药物开发。

2、阻断过敏原：研究团队针对常见的过敏问题进行了研究，针对桦树花粉过敏原 Bet v1 设计的结合蛋白，成功插入了其抗原口袋，患者血清测试显示阻断 50% 过敏抗体结合；针对尘螨过敏原 Der f7 和 Derf21 设计的结合蛋白，精准覆盖了致病表位，晶体结构证实与设计模型误差仅 0.3 纳米。

3、调控 CRISPR 基因编辑：针对基因编辑工具 CRISPR-Cas9 的脱靶风险，研究团队使用 BindCraft 设计了全新抑制蛋白，结果显示，设计蛋白能够精准结合到 Cas9 的 REC1 核酸结合域，细胞实验证实，其显著降低了 CRISPR-Cas9 对 HEK293 细胞的基因编辑活性。

4、中和致命细菌毒素：针对食物中毒病原体产气荚膜梭菌的穿孔毒素 CpE，设计蛋白锁定了细胞表面受体 CLDN1，从而阻断了毒素结合位点。细胞实验证实，其完全消除了毒素导致的细胞死亡，效果等同天然抑制剂。

5、改造 AAV：为了提高 AAV 的基因递送能力，研究团队使用 BindCraft 设计了靶向 HER2 和 PD-L1 的微型结合蛋白，将其整合到 AAV 衣壳，这种改造的 AAV 能够特异性靶向表达这两种蛋白的癌细胞。

总的来说，BindCraft 不仅解决了蛋白质设计领域长期以来的成功率瓶颈，更在过敏治疗、基因编辑安全调控、中和致命毒素、靶向基因治疗等场景给出直接解决方案。此外，研究团队开源了该技术，让普通实验室也能过设计定制蛋白质。这项研究在计算设计方面朝着“one design-one binder”的方法迈出了重要一步，有望重塑药物开发、疾病诊断和治疗以及生物技术领域的未来。