卵白质结构几乎有无限的可能，凭据我们的需求设计并制造卵白质，有可能实现多种神奇功效。
卵白质是所有活着的生物的“劳动力”，执行着来自 DNA 的种种命令。它同时有着种种庞大的结构，实现人类和所有生物体中全部的重要功效，包罗消化食物、组织生长、血液中氧气的传输、细胞破裂、神经元激活、肌肉供能等等。令人惊奇的是，卵白质如此多样性的功效仅来源于区区 20 种氨基酸分子的组合序列。直到现在，研究人员才刚刚开始明白这些线型序列是如何折叠成庞大的结构。
越发令人惊奇的是，大自然似乎只利用了一小部门所有可能的卵白质结构，尽管后者的数量是庞大的。因此利用已有的氨基酸设计具有特殊结构的非通例卵白质，即大自然中未曾有过的合成卵白，有着非常诱人的应用前景。合成卵白的要领是：对细菌进行基因革新，让它的 DNA 控制发生特定氨基酸序列，进而合成卵白质。能够以原子级的准确性生产和研究合成卵白对于开拓基础研究的新领域，以及在更多领域实现实际应用有着重要意义。
设计过程开始时，假设一种能解决某个具体问题或实现某种功效的新卵白结构，然后反过来确定能够折叠成这种结构的候选氨基酸序列。Roseetta 卵白质模型设计软件可以确定最有希望的候选者：即折叠出目标结构的最低能量状态的氨基酸序列。接下来，这些序列从计算机转移到实验室中，制造合成卵白质并进行测试。
目前，还没有任何技术能与卵白质执行的奇妙功效相媲美。合成卵白的无限可能性，让卵白质设计能极大地拓展卵白质技术的能力。为了说明这一点，我将列举一些利用这种设计要领合成的卵白质，以及研究过程中的基础挑战和它们的实际应用领域。
这幅图展示的是叫做 TIM-barrel 卵白质家族的一种合成卵白。绝大多数酶中都含有这类自然存在的 TIM-barrel 卵白质，而酶是我们身体内发生的生化反映的催化剂。之所以这样，部门原因是这种卵白质中心圆形的杯状或桶状结构为生化反映提供了适宜的场所。图中的合成卵白质是 TIM-barrel 类卵白理想的模板，针对特定的反映物，你可以用袋状结构、结合位点和催化介质对它进行个性化革新。这种要领可用来设计自然界中未曾有过的新型卵白酶。
清洁能源和医药的催化剂
卵白酶是已知的催化剂中最为高效的物质，远胜化学家合成的无机催化剂。部门原因是卵白酶能准确地将要害部位同反映分子关联起来，提供场所加速反映或降低反映的活化能。虽然准确的发生机理仍是一个未被解释的要害问题，但更多地与合成卵白打交道或许有助于解决这个难题。
我们做出的合成卵白已经能够催化一些极具应用潜力的新陈代谢反映，好比在将大气中的二氧化碳转化为燃料有机分子的反映中，合成卵白的催化效率比任何一种无机催化剂都要好，因此有望通过这类反映制取碳中性燃料；还包罗应用于能治疗疾病的反映，有望为肠道疾病患者提供一种能在胃中剖析谷卵白的口服药物；以及中和阿尔茨海默病患者身体里的毒性淀粉卵白的合成卵白。
新型超强质料
包罗有机物质和无机物质的糅合质料是一类具有很大市场潜力的新型质料。鲍鱼壳就是一个天然例子，它是由碳酸钙和卵白质结合成的异常坚硬的物质。很明显，在鲍鱼壳成形过程中，一些卵白质改变了无机物质在结合卵白质上的沉积方式并加入形成了壳的整体结构。合成卵白质有望复制这一过程，进而扩充这种卵白质的种类。另一种类似于蛛丝的质料，它作为有机物质却有很高的硬度，而且能够生物降解，合成卵白质似乎非常适合用来制作这种质料，但还需要把形成机制弄清楚。另外，我们获得的合成卵白质能够形成仅一层分子厚的互锁结构，有望用于制作新型防刮膜或有机太阳能电池。
靶向药物通报
自组装卵白质在生物体内形成了多种用途的容器或外部屏障，从病毒的卵白质外壳到几乎所有活细胞的外壁。我们开发出一种要领来设计并构建类似的卵白质容器：非常小的笼式结构——卵白质纳米粒，由一到两条肽链组装而成。我们能做到非常精确，实现原子级控制。目前的事情是构建这种卵白质纳米颗粒，用它携带靶向“货物”，即药物或其他治疗物质，同时在外貌部署相关卵白质。外貌卵白质用来与靶向细胞外貌的相似卵白特异性结合。
这些自组装卵白质颗粒提高了向细胞运输药物的靶向水平，制止对身体其他部位造成有害影响�；箍梢陨杓埔恍┢渌擅茁寻卓帕�，用来穿透血脑屏障，输送治疗大脑疾病的药物或治疗物质。我们还设计出能打断卵白质 - 卵白质交流的阻断卵白，以及同小分子结合的功效性卵白，用于生物感测，好比说确定病原体。最为重要的是，合成卵白作为新工具，提高了药物或其他治疗手法的靶向性，同时提高了药物载体与靶向细胞外壁紧密结合的能力。
这种20面卵白质纳米颗粒能把药物或其他治疗物质准确送达人体内部的靶细胞，副作用很小。它由两种合成卵白自组装形成。插图及卵白质设计者：Jacob Bale，华盛顿大学大卫贝克实验室
新型疫苗
不光可用于药物运输，自组装卵白质纳米颗粒在疫苗研制领域也有前景。在合成卵白纳米颗粒外貌嵌上稳定的病毒卵白，我们希望诱发细胞发生强烈而专一的免疫反映来中和 HIV 病毒和流感病毒。我们目前正在研究怎样能将这些卵白质纳米颗粒用作针对一些病毒的疫苗。这些具有热稳定性的设计疫苗将不再依赖于庞大的冷链储存系统，从而让这些能挽救生命的疫苗在全球范围内更容易获得，有助于实现消灭病毒性疾病的目标。同时，在疫苗设计上具有的分子级准确性让我们得以对免疫系统如何识别并防御病原体进行系统研究。反过来，这类研究的发现也会促进耐受性疫苗的开发，资助训练自体免疫疾病和哮喘患者的免疫系统停止攻击宿主组织。
新型多肽药物
大多数获得批准的药物要么是卵白质大分子，要么是小分子。而自然界中存在的多肽（氨基酸化合物），尺寸巨细中等，在革新或稳定后，它们能精确结合生物靶向目标，被认为是已知的最有效的药物分子。在效果上，多肽具有卵白质和小分子药物的双重优点�；锋咚鼐褪且桓龈魅耸煜さ睦�。但不幸的是，这些肽种类很少。
我们最近实现的一种新设计要领，能发生两大类多肽物质，它们具有差异寻常的热稳定性和化学稳定性。这些多肽包罗来源于基因编码（然后在细菌中合成）的肽物质，也包罗由自然界没有的氨基酸组成的肽物质�？梢运�，这些多肽组成了全新多肽药物的基础和设计模型。
另外，我们还开发出一种通用要领，用来设计稳定的小型卵白，与病原体卵白特异性结合。一种这类设计卵白能与病毒的糖卵白血球凝集素特异性结合，后者卖力资助流感病毒入侵细胞。这些设计卵白对受熏染的小鼠来说，既起到预防疾病的作用，又有治疗的效果，因此可以用作非常有效的抗流感药物。类似的要领还用来设计针对埃博拉病毒的治疗卵白，以及与肿瘤和自身免疫疾病相关的靶向目标。更为重要的是，合成卵白可以作为非常有用的测试探针，来探索免疫系统分子化学原理。
卵白质逻辑系统
人的大脑是一个完全基于卵白质的高能效逻辑系统。是否可以用自组装、比硅逻辑系统更自制更高效的合成卵白来建造一个类似的逻辑系统（比方说电脑）呢？自然界中存在的卵白开关已经得到了很好的研究，但制作合成卵白开关仍然是个挑战。除了在生物科技领域的应用，理解卵白质逻辑系统或许对探索人的大脑如何做决定或早期信息处置过程有越发深远的影响。
设计合成卵白有着无穷的潜力，新的研究前沿和广泛的实际应用领域期待人们去探索。事实上，人们已经开始掌握设计新的分子解决特定问题的能力。卵白质设计迎来了激感人心的时代。
预测卵白质结构
倘若我们不能凭据一条给定的氨基酸序列预测它的卵白结构，卵白质合成将无从谈起。世界上有 20 种天然氨基酸，它们可以以任何顺序连接起来，折叠形成近乎天文数字般的可能结构。幸运的是，卵白质结构预测难题将被一款名叫 Rosetta 的卵白质模型软件所攻克。
Rosetta 会凭据能量状态评估可能的卵白质结构，确定能量最低的结构，即通常情况下发生在生物组织内的情形。对比力小的卵白质，Rosetta 的预测已经相当准确。全球数百位卵白质科学家形成的合作网络一直在连续革新 Rosetta 的算法，让 Rosetta 变得越来越强大、准确。
我们的研究队伍已经分析了凌驾 1000 种卵白质的结构，而且有望在未来几年能够预测任一卵白质的结构。这将成为基础生物学和生物医学领域的一项具有重大意义的进步，因为对卵白质结构的理解会让人们理解人体和所有生物体内不计其数的卵白质的功效。同时，预测卵白质结构的能力将成为设计新型人工合成卵白质的强大工具。