Cell｜西湖大学卢培龙团队从头设计出可“感电”的人工离子通道
蓝极说：
在蛋白质设计的世界里，能稳定折叠的水溶性蛋白已经被攻克得七七八八；能镶嵌进膜的跨膜蛋白，也逐渐从“禁区”变成了“高地”；但要让一个人工蛋白“感受电压”、还能开关离子——这几乎是蛋白设计的“珠穆朗玛峰”。
今天，我们要聊的，是西湖大学卢培龙老师团队上周（2025.10.16）在 Cell 上发表的最新成果：
他们不仅从零构建出一个电压门控的阴离子通道（de novo Voltage-Gated Anion Channel, dVGAC），还让它真的在神经元里响应电压、抑制放电。
这是一个真正意义上的——
从结构到功能、从计算到电流、从“设计”到“感电”的里程碑。
🔗原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.09.017
一、从自然到设计：一个能“感电”的人工通道是如何诞生的
1. 研究背景：电压门控通道的“最后高地”
在生物电信号的世界里，电压门控离子通道（Voltage-Gated Ion Channels, VGICs） 是最核心的元件。它们嵌在细胞膜中，感受膜电位变化，从而调节离子流动，控制神经放电、心跳节律乃至肌肉收缩。
过去几十年，结构生物学已经揭示了VGIC的多种天然形式——从钾通道、钠通道到氯通道——但它们的“电压响应”几乎都依赖于庞大而复杂的结构域，例如典型的S1–S4电压感应区。这让“人工重建”变得几乎不可能。
在蛋白质设计领域，研究者已经能构建出稳定的跨膜骨架、甚至可导电的“漏通道”，（卢老师之前也de novo设计出跨膜荧光激活蛋白，详情请查看：）但真正能被电压调控开关的人工通道，直到现在都未曾实现。
这正是卢培龙老师团队想要解决的问题：
能否从最基本的物理原理出发，设计出一个完全人工、可电压响应的离子通道？
2. 设计思路：从物理出发的极简门控模型
团队没有选择模仿天然通道的复杂结构，而是重新思考“门控”的最小物理单元。他们提出一种极简的电压响应假设：
如果一个跨膜通道在几何上对称、中心通透、且内部带有可移动的电荷，
那么它就有可能在膜电位变化时发生局部构象变化——实现电压门控。
为此，他们设计了一个五聚体三螺旋跨膜骨架（TMH3C5）。
每个亚基由三根跨膜α螺旋组成，五个亚基围成一个对称的中空孔道（Fig.1C–F）。外层螺旋稳定整个结构，内层螺旋形成导电通道。
几何形态呈“漏斗状”：
宽的一端朝向胞内，窄的一端朝向胞外；
电场沿通道轴线方向作用于孔道中心——为电荷响应提供天然的物理环境。
这个设计不是模仿自然，而是从静电学与结构约束出发，为“感电”功能奠定了可计算、可操控的框架。
3. 关键设计：三层精氨酸构成的“电荷阀门”
骨架只是开始。要让通道“感电”，必须引入可响应电场的带电元件。
团队在孔道中心设计了三层带正电的精氨酸（Arg）环：
每层由五个亚基各提供一个Arg侧链，
三层沿通道轴线分布，形成连续的正电荷堆叠。
这种布局实现了两种功能的统一：
电压感应：电场变化会驱动Arg侧链在局部旋转与重排，
改变通道的孔径与电势能垒，从而调节离子通透；
阴离子选择性：带正电的孔道中心对Cl⁻具有天然吸引作用。
与天然通道的外部电压感应结构不同，这里是一个“内源式门控机制”：
门控单元直接位于导电孔中，由局部电荷分布实现电压响应。
这一设计简化了天然VGIC的复杂性，同时在原理上保持功能等价。
4. 电生理验证：从模型到电流
为了验证这一假设，研究团队在HEK293T细胞中表达不同设计版本的通道并进行膜片钳测试。
结果表明：
当通道中包含三层Arg电荷阀门时，出现显著的电压依赖性；
电流在正电位下迅速增强，负电位下几乎完全关闭，
呈现典型的外向整流（outward rectification）特征（Fig.2E–H）。
离子替换实验进一步证明该通道选择性导通Cl⁻离子；
单通道电导测定约为 42 pS（Fig.2I–K）。
实验结果说明，这个从零设计的蛋白不仅稳定折叠、嵌入膜中，还确实实现了电压门控的阴离子通透功能。
这使得它成为第一个具有可控电响应的de novo设计通道蛋白。
5. 小结：从结构到功能的物理闭环
这一部分构成了整篇工作的逻辑核心：
结构基础：对称且可预测的五聚体骨架；
电荷布局：精确分布的三层正电Arg环；
功能实现：实验验证的电压门控与离子选择性。
dVGAC 展示了一种全新的蛋白设计思路——
不依赖天然结构域，而是通过最小化设计，在人工骨架中实现复杂的生物功能。
这不仅是一次“能导电”的突破，更重要的是：
它证明了“电压感应”这一高度复杂的生物功能，可以被设计出来。
二、结构验证——Cryo-EM让“设计”变成“现实”
1. 从设计模型到原子级结构验证
在蛋白设计领域，一个常见的问题是：
“计算机里长得漂亮的模型，在现实中是否真的能折叠成那样？”
过去很多“成功的功能演示”最终都在结构验证中“翻车”，原因在于设计模型往往依赖理想化假设，而真实蛋白在膜环境中可能塌陷或错折。
卢培龙老师团队非常清楚这一点。
在功能验证之后，他们直接用冷冻电镜（Cryo-EM）解析了 dVGAC 的结构，分辨率高达 2.9 Å —— 这对于一个完全人工的跨膜小蛋白来说，这个分辨率已经非常高了。
2. 模型与结构的惊人重合
结果几乎完美：
Cryo-EM 结构与设计模型的主链均方根偏差（RMSD）仅约 1.1 Å，这意味着设计中每个原子的位置都被精确再现。
在结构图（Fig.3A–B）中可以看到：
五聚体的整体形态与计算模型高度一致，内外双层螺旋束排列清晰、对称中心未发生任何塌陷。
这一点极为关键——
它说明团队设计的跨膜几何与相互作用模式在膜环境中完全可实现，不再只是“计算的幻觉”。
3. 电压门控的“微观开关”：R157的双构象
更令人兴奋的是，Cryo-EM 数据揭示了通道中心精氨酸层的构象双态性。
特别是位于中间层的 R157 残基，在同一结构中出现两种明显的取向（Fig3C-F)：
一种指向通道轴心，形成收缩态；
另一种旋转外翻，形成开放态。
这与团队最初设想的“电压驱动下精氨酸侧链旋转”机制高度吻合。
也就是说，通道的开关状态并非依赖大尺度结构重排，而是由局部电荷侧链的旋转实现的。
在原子层面上，电压响应的“开门动作”被直接捕捉到了。
4. 离子识别的结构证据
为了进一步验证离子选择性，研究者在实验中加入了碘离子（I⁻），解析得到的结构中可以清晰看到：
位于底层的 R161 与 I⁻ 形成稳定的静电结合。
这一密度信号直接证明了通道对阴离子的亲和与特异性。
通道内部没有任何可见的阳离子结合位点，从结构上解释了其对 Cl⁻ 的高度选择性。
5. 结构验证的意义：从可计算到可制造
在这一步，研究团队实现了 de novo 设计的“闭环”：
计算模型 → 实验功能 → 原子结构对比 → 机制重现。
所有关键功能（电压响应、阴离子选择）都有结构证据支撑。
这不仅验证了 dVGAC 的设计正确性，
更说明这种“以物理机制为导向”的设计路径具备可预测性与可复制性。
三、机制剖析——“电荷层”如何让蛋白学会感电
1. 三层精氨酸：电压门控的分子基线
在实现电压依赖性之后，团队进一步想回答一个关键问题：
通道中心那三层精氨酸，到底各自承担什么角色？
他们依次替换不同位置的精氨酸残基，
比较突变体在电压下的电流响应。
结果清晰而有层次：
R157G（中层）：电流显著减弱，电压依赖性几乎消失，说明这一层主导电场感应与开关响应。
R161A（下层）：通道失去外向整流特征，阴离子选择性被削弱，提示其参与离子筛选。
R165L（最底层）：尽管失去了正电荷，电流曲线几乎与野生型重合，表明该位点主要稳定导电环境而非直接感应电场。
tmZC8-BTB（骨架对照）：完全没有可检测电流，验证了电荷层的必要性。
这组实验建立了一个重要认识：
dVGAC 的电压响应不是分布式的偶然现象，而是由精氨酸三层形成的定向电场体系主导的。
上层与中层是“传感器”，下层是“筛选器”，三者协同构成一个高度耦合的“电荷阀门”。
2. 非感电对照：tmZC8-BTB 的结构与动力学
为了验证电压响应确实源自电荷层，研究团队还对不含精氨酸的对照通道 tmZC8-BTB进行了深入表征。
（1）结构层面：稳定但“静默”
Cryo-EM 分辨率 ≈ 3 Å，结构与设计模型 RMSD ≈ 1.2 Å（Fig. 5A–E）。
跨膜螺旋束保持完好、孔径适中（约 3–4 Å），显示这一骨架在膜环境中结构稳定且可折叠。
然而，孔道电势几乎中性，缺乏能够感应电场的内部电荷。
换句话说——形态完美，却无法“通电”。
（2）动力学层面：电场下依旧平静
1 μs 分子动力学模拟结果表明（Fig. 5F–I）：
RMSD 在 3 Å 左右，无论 0 mV 还是 500 mV 都维持稳定；
Cl⁻ 与 Na⁺ 的穿孔事件极少，
离子在孔道内上下随机震荡，但无净通量。
这意味着 tmZC8-BTB 虽然“结构健全”，却完全不响应电压，无法驱动定向离子流。
3. 对照结论：结构稳定性 ≠ 功能可响应
dVGAC 与 tmZC8-BTB 的对比实验构成了整篇论文最有力的论据之一：
这组结果明确指出：
电压门控的核心不是结构本身，而是孔道中心的精氨酸电荷层。
它在膜电场中产生取向变化，构成真正的“电压传感模块”。
4. 小结：从结构设计到机制确认
Figure 4–5 共同完成了机制层面的闭环验证：
通过突变分析揭示“谁在感电”；
通过非感电对照证明“为什么能感电”。
这种逻辑从功能到结构再到动力学的三重验证，
让 dVGAC 的“电荷层门控”机制成为首个经原子级证据支持的人工电压感应模型。
四、功能优化与神经元验证——让人工通道“接入生命电路”
1. dVGAC 的功能确认：真正能“通电”的人工通道
在完成结构与机制验证后，团队首先对 dVGAC 的导电性质进行了系统的电生理测试。
膜片钳结果（Fig.6A–C）显示：
dVGAC 在正电位下表现出显著的电流增加，而对照组 tmZC8-BTB 几乎无响应；
L153R 等结构突变体的电流幅度明显下降，进一步印证了通道中精氨酸分布的关键性。
接着，研究者分析了通道对不同阴离子的选择性（Fig.6D–E）。
结果表明：
dVGAC 对 Cl⁻、Br⁻、NO₃⁻ 离子均具高通透性，但对 F⁻ 几乎不导通。由此推断，孔道内的正电场 是决定阴离子选择性的主要因素。
这一部分确认了：
dVGAC 不仅能稳定嵌入膜中，还具有与天然通道相当的离子导通与选择性特征。
2. 功能优化：R165D 降低激活电位，形成 dVGAC1.0
在理解了通道各层电荷的功能后，团队希望让人工通道的激活阈值进入神经元的生理电压范围。
他们在底层精氨酸（R165）处引入负电突变 R165D，调整孔道中心的静电势分布。
这一版本被命名为 dVGAC1.0。
结果令人惊喜：
在 +20 mV 即可触发电流（Fig.6F–H）；
电流幅度与响应斜率均高于原型 dVGAC；
离子选择性保持稳定，对 Cl⁻ 优先导通（Fig.6I–J）。
也就是说，R165D 成功将门控阈值降低至神经生理区间，同时保留原有的导电性能——使通道从“能工作”变为“能调控”。
3. 神经元验证：人工通道能抑制放电
为了验证这一功能在生物体系中的可行性，
研究者将 tmZC8-BTB、dVGAC 与 dVGAC1.0
分别通过 AAV 载体表达于小鼠杏仁核（amygdala）的神经元中（Fig.6K–L）。
电生理记录（Fig.6M–O）显示：
对照组与 tmZC8-BTB 神经元保持正常放电频率；
表达 dVGAC 的神经元放电受到一定抑制；
而表达 dVGAC1.0 的神经元放电显著减少，
在同样注入电流条件下，动作电位数量下降超过一半。
这些数据表明：
dVGAC1.0 在神经元膜上可被生理电压激活，并通过阴离子导入有效抑制神经兴奋性活动。
4. 小结：从结构功能到生理调控
这一部分的核心成就，是把“设计蛋白”推到了真正的生命层面。
从完全人工的分子，到能响应神经信号的“生物元件”，dVGAC 系列通道首次证明——
电压门控可以被设计、优化，并嵌入生命体系。
这不仅是蛋白设计的突破，更为“人工神经调控”提供了一个分子级的可编程接口。
五、机制模拟——原子级别的“通电瞬间”
1. 研究思路：用计算“看见”通道如何开关
前面通过实验，我们已经知道 dVGAC 确实具有电压门控特性。但科学问题仍然在于：
它究竟是如何响应电场变化的？
电场如何驱动局部结构的变化，从而控制离子通道的开闭？
这些问题在实验上难以直接观察，
于是团队利用长时间尺度的分子动力学模拟（MD）来重建整个过程。
在模拟中，他们对嵌入脂双层的 dVGAC 施加不同强度的跨膜电场，记录氯离子（Cl⁻）在通道内的运动轨迹、孔径变化以及电荷分布演化。
2. 模拟结果：电场触发的“电荷旋转”
模拟结果非常直观：
当外加电压从 0 mV 升至 500 mV 时，通道中心的三层精氨酸（尤其是 R157 和 R161）的侧链发生明显取向重排——
它们从“收拢”状态逐步旋转，形成一个连续的离子通道通路。
可以看到电荷分布图中，原本集中在通道壁的正电荷在高电压下向孔中心偏移，导致局部静电势能垒下降。
这正是电压门控的微观物理本质：
电场驱动带电残基重排，从而降低离子通道能垒，实现“开门”。
3. 离子流动的时间轨迹：Cl⁻ 的“单分子旅行”
在 1 微秒的模拟中，研究者统计了 Cl⁻ 离子的轨迹分布。
结果显示，在无电场（0 mV）下，离子主要在通道两侧震荡，几乎没有净通量；
而在 500 mV 电压下，Cl⁻ 的轨迹出现连续贯通，沿通道轴线方向穿过三层精氨酸堆叠区（Fig.7D–E）。
换句话说，在“感电”的瞬间，孔道并没有产生宏观的结构重排，而是通过局部带电侧链的旋转就完成了导通。
这是整个研究中最具象的画面：
一个人工蛋白在电场作用下，像分子机器一样完成了“原子尺度的开关动作”。
4. 机制解析：内源式电压门控的新物理图景
研究者进一步计算了电场方向与离子流速之间的相关性。
结果表明，通道的响应高度对称、快速、可逆：
当电场方向反转时，精氨酸层重新回到“闭合”取向，孔径能垒随之升高，离子流被抑制。
这说明 dVGAC 的电压响应是一个典型的电荷驱动构象平衡过程：
它不依赖复杂的蛋白运动，而是由几对局部氢键与静电相互作用微调完成。
这种机制与天然通道中的 S4 结构域截然不同：
天然通道通过长距离螺旋滑动实现门控；
dVGAC 则通过最小原子尺度的电荷旋转完成同样功能。
这为“电压门控的简化物理模型”提供了首个真实范例。
5. 小结：设计与物理的统一
Figure 7 的分子模拟让整个研究形成了从设计 → 验证 → 机制的闭环。
这一结果清晰地证明：
电压感应并不需要复杂的天然结构域，只需精确布置几个电荷，就能在人工蛋白中重建这一机制。
至此，卢培龙老师团队的工作完成了一个令人震撼的闭环：
从原理推导 → 结构设计 → 实验验证 → 动力学机制。
他们不只是“造出一个能导电的蛋白”，而是展示了如何从物理第一性原理出发，设计出可预测行为的分子机器。
dVGAC 的出现意味着：
人工蛋白不仅可以折叠、结合、发光，
它们还可以感受、响应并调控电信号。
这或许是蛋白质设计真正进入“可编程生命系统工程”的起点。
六、结语：当设计走向思考——从 dVGAC 看蛋白的“第二生命”
1. 从折叠到功能：蛋白设计的第二阶段
过去十年，蛋白设计的目标多停留在“能折叠、能存在”。我们证明了算法可以生成稳定结构，可以模仿天然骨架、创造新的配体结合位点。
而 dVGAC 的意义在于，它第一次证明：
人工蛋白不仅能稳定存在，还能像天然蛋白一样——感知世界，并做出响应。
它会“通电”，会“开关”，会在神经元里抑制信号。这意味着蛋白设计开始迈入第二阶段：从“静态结构”走向“动态功能”。
2. 从模仿自然到重建原理
dVGAC 的突破在于，它没有照搬任何天然模板。
它的门控不依赖传统的 S4 电压感应结构，而是用最少的几层精氨酸，重建了电压响应的物理本质。
这是一种从原理出发的生物设计：
先定义能量与电场的关系，再让分子去实现它。
在某种意义上，这比模仿自然更困难——但也更自由。
它意味着我们正在重写生物功能的构造方式。
不再是“自然给了我们什么”，而是“我们可以创造什么样的自然”。
3. 蛋白质：未来的“电路元件”
当我们能在原子层面设计电压响应，未来的蛋白不再只是“生命分子”，而是信息与能量的接口。
我们或许可以构建出：
可控放电或抑制的人工神经网络；
可与电子系统耦合的生物传感电路；
甚至能根据外部电信号自动调节行为的“活体材料”。
这就是 dVGAC 所代表的未来方向：
从蛋白质设计走向“分子级计算”。
4. 致谢与余韵
这项精彩的工作来自 西湖大学卢培龙老师团队，不仅在技术上跨越了蛋白设计的边界，更在概念上，让“设计”从一种结构生物学实践，变成了一种关于生命本质的物理探索。
在那个跨膜小孔中，我们看到的不只是几根螺旋，而是一种新的问题：
如果生命的功能可以被精确重建，
那生命的“设计”与“自然”之间，
还会有界限吗？
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