摘要：在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，納米抗體（Nanobodies）作為一種新興的工具，正逐漸展現(xiàn)出其獨(dú)特的魅力。它們不僅在診斷、治療和生物傳感等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，還在 COVID-19 等疾病的防治中發(fā)揮了重要作用。本文將深入探討納米抗體的結(jié)構(gòu)特性、功能屬性以及計(jì)算方法在納米抗體設(shè)計(jì)和優(yōu)化中的應(yīng)用，力求以通俗易懂的方式呈現(xiàn)這一復(fù)雜而前沿的科學(xué)話題。
一、納米抗體：小而強(qiáng)大的工具
納米抗體是駱駝科動物重鏈抗體的最小功能片段，由約 110 個(gè)氨基酸組成，分子量僅為 12-15 kDa，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)抗體的 150 kDa。這種小尺寸使得納米抗體具有更高的穩(wěn)定性和溶解性，同時(shí)保留了與抗原高親和力結(jié)合的能力。納米抗體的結(jié)構(gòu)框架由三個(gè)互補(bǔ)決定區(qū)（CDR）組成，其中 CDR-H3 是最 具變異性的一部分，長度通常在 12-18 個(gè)殘基之間，對特異性結(jié)合抗原起著關(guān)鍵作用。
納米抗體的獨(dú)特之處在于其能夠識別和結(jié)合傳統(tǒng)抗體難以觸及的隱藏表位，例如蛋白質(zhì)表面的裂縫或酶的活性位點(diǎn)。這種能力使得納米抗體在生物醫(yī)學(xué)研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢，例如在穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象、控制 G 蛋白偶聯(lián)受體的別構(gòu)調(diào)節(jié)等方面展現(xiàn)出巨大的潛力。
二、計(jì)算方法助力納米抗體設(shè)計(jì)
隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算模型和設(shè)計(jì)方法在納米抗體的研究中扮演著越來越重要的角色。這些方法不僅加速了納米抗體的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化過程，還為理解納米抗體與抗原之間的相互作用提供了新的視角。
（一）結(jié)構(gòu)預(yù)測
準(zhǔn)確預(yù)測納米抗體的結(jié)構(gòu)，尤其是 CDR 環(huán)的構(gòu)象，是納米抗體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)方法在這一領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。例如，AlphaFold 2.2 版本在預(yù)測納米抗體結(jié)構(gòu)時(shí)表現(xiàn)出色，能夠準(zhǔn)確預(yù)測 CDR-H3 環(huán)的構(gòu)象。此外，ImmuneBuilder 和 NanoNet 等工具也為納米抗體結(jié)構(gòu)預(yù)測提供了高效的解決方案。圖 1 展示了 AlphaFold 2.2 預(yù)測的納米抗體結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的對比，可以看到預(yù)測結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)高度一致。
（二）分子動力學(xué)模擬
分子動力學(xué)（MD）模擬是研究納米抗體與抗原相互作用的重要工具。通過模擬，研究人員可以觀察納米抗體在結(jié)合抗原時(shí)的動態(tài)變化，以及 CDR 環(huán)的靈活性如何影響結(jié)合親和力。例如，在研究針對 HIV p24 的高親和力納米抗體時(shí)，MD 模擬揭示了鹽橋、氫鍵和靜電互補(bǔ)區(qū)域在高親和力結(jié)合中的重要作用。圖 2 展示了 HIV p24 與納米抗體結(jié)合時(shí)的 MD 模擬結(jié)果，可以看到納米抗體的 CDR 環(huán)與抗原之間的相互作用。
（三）增強(qiáng)采樣模擬
為了更全面地探索納米抗體的構(gòu)象空間，增強(qiáng)采樣模擬技術(shù)如高斯加速 MD（GaMD）被引入。GaMD 通過施加諧波增強(qiáng)勢能，降低系統(tǒng)能量屏障，加速結(jié)構(gòu)動力學(xué)過程。在研究納米抗體與 G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）的結(jié)合時(shí)，GaMD 模擬展示了受體正位配體結(jié)合口袋的別構(gòu)閉合過程，為理解 GPCR-納米抗體結(jié)合機(jī)制提供了重要見解。圖 3 展示了 GaMD 模擬中 GPCR 與納米抗體結(jié)合的動態(tài)過程。
三、納米抗體數(shù)據(jù)庫：資源與支持
納米抗體數(shù)據(jù)庫的建立為研究人員提供了豐富的資源和信息，促進(jìn)了納米抗體的開發(fā)和應(yīng)用。例如，INDI 數(shù)據(jù)庫包含了超過 1100 萬個(gè)納米抗體序列，其搜索工具可以幫助找到與查詢序列最匹配的可變序列。SAbDab-nano 是一個(gè)專門的納米抗體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，截至 2024 年 3 月，已包含 1454 個(gè)納米抗體結(jié)構(gòu)。此外，NanoLAS 數(shù)據(jù)庫整合了來自多個(gè)數(shù)據(jù)庫的納米抗體數(shù)據(jù)，提供了一個(gè)用戶友好、高效且交互式的平臺，用于數(shù)據(jù)查詢和分析。圖 4 展示了 NanoLAS 數(shù)據(jù)庫的界面，可以看到其豐富的功能和便捷的操作。
四、納米抗體設(shè)計(jì)的計(jì)算方法
（一）結(jié)構(gòu)和片段基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)涉及對納米抗體的理性工程和改造，以增強(qiáng)結(jié)合親和力、提高穩(wěn)定性、降低免疫原性等。例如，通過將特定序列移植到穩(wěn)定的納米抗體框架上，可以設(shè)計(jì)出針對阿爾茨海默病相關(guān) tau 蛋白的納米抗體。此外，片段基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法通過識別和優(yōu)化納米抗體序列中的小片段，可以生成針對特定表位的高親和力納米抗體。圖 5 展示了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的流程，可以看到從序列選擇到最終設(shè)計(jì)的全過程。
（二）計(jì)算親和力成熟
計(jì)算親和力成熟是指利用計(jì)算技術(shù)迭代設(shè)計(jì)和優(yōu)化納米抗體序列或結(jié)構(gòu)，以提高其與目標(biāo)抗原的結(jié)合親和力。例如，通過分子動力學(xué)模擬、分子對接評分和穩(wěn)定性預(yù)測等方法，可以準(zhǔn)確評估納米抗體的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)量，并識別由突變引起的結(jié)構(gòu)變化。此外，深度學(xué)習(xí)模型如 NanoBERT 可以基于序列預(yù)測納米抗體的生物可行突變，為納米抗體的優(yōu)化提供指導(dǎo)。圖 6 展示了計(jì)算親和力成熟的過程，可以看到通過多次迭代優(yōu)化，納米抗體的結(jié)合親和力顯著提高。
五、Quenchbody：納米抗體的創(chuàng)新應(yīng)用
Quenchbody（Q-body）是一種基于納米抗體的免疫傳感器，用于非競爭性均相檢測各種抗原，包括小分子。Q-body 的關(guān)鍵在于其熒光猝滅機(jī)制：當(dāng)抗體片段與抗原結(jié)合時(shí)，熒光染料分子從猝滅的色氨酸殘基中移開，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度增加。這種檢測方法簡單、易操作且高度靈敏。Q-body 的工作機(jī)制，可以看到抗原結(jié)合前后熒光強(qiáng)度的變化。
六、結(jié)論
納米抗體作為一種小而強(qiáng)大的工具，在生物醫(yī)學(xué)和治療領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。計(jì)算方法的發(fā)展為納米抗體的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的支持，使得研究人員能夠更快速、更精確地開發(fā)出具有特定功能的納米抗體。隨著計(jì)算技術(shù)的不斷進(jìn)步，納米抗體在生物醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊，有望為人類健康和疾病診斷帶來更多的創(chuàng)新解決方案。
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