发布于: 2026/7/22

2026年7月Science重磅突破｜AI从头设计WRAP可溶性蛋白，改写膜蛋白提取纯化底层范式

长久以来，疏水跨膜区域溶解与构象稳定性是横亘在膜蛋白解析路上最大的技术瓶颈：传统工艺高度依赖DDM、LMNG、OG等化学去垢剂剥离细胞膜脂质双分子层，不仅容易破坏膜蛋白天然四级结构、解离内源关键结合脂质，还会引发蛋白聚集、活性丧失、冷冻电镜颗粒取向严重偏好等一系列问题；后续MSP纳米盘、SMA/SMALP聚合物无去垢剂体系虽大幅改善稳定性，但仍存在重构效率低、批次重复性差、超大复合物组装难以捕获等短板。

导读

膜蛋白占据人类基因组编码蛋白约30%，是超过60%上市药物的直接作用靶点，G蛋白偶联受体（GPCR）、离子通道、转运蛋白、外膜孔蛋白等核心靶点，一直是结构生物学、创新药靶点开发、CRO体外蛋白制备领域的研究核心。但长久以来，疏水跨膜区域溶解与构象稳定性是横亘在膜蛋白解析路上最大的技术瓶颈：传统工艺高度依赖DDM、LMNG、OG等化学去垢剂剥离细胞膜脂质双分子层，不仅容易破坏膜蛋白天然四级结构、解离内源关键结合脂质，还会引发蛋白聚集、活性丧失、冷冻电镜颗粒取向严重偏好等一系列问题；后续MSP纳米盘、SMA/SMALP聚合物无去垢剂体系虽大幅改善稳定性，但仍存在重构效率低、批次重复性差、超大复合物组装难以捕获等短板。

2026年7月2日，华盛顿大学David Baker课题组在《Science》发表里程碑式原创成果，依托顶级蛋白质AI模型RFdiffusion从头设计两亲性可溶性蛋白WRAP（Water-soluble RFdiffused Amphipathic Protein），搭建了一套完全不依赖任何化学去垢剂、无需体外脂质重构、可基因共表达的全新膜蛋白增溶与纯化技术路线，为难表达、易失活、对脂质高度敏感的膜蛋白冷冻电镜结构解析带来颠覆性解决方案。

一、技术底层逻辑：什么是WRAP AI人工设计膜包裹蛋白？

1. WRAP 命名与设计内核

WRAP 全称 Water-soluble RFdiffused Amphipathic Protein，直译即为 “基于RFdiffusion扩散模型设计的水溶性两亲包裹蛋白”。整个设计完全依托 Baker 团队自研RFdiffusion深度学习蛋白生成框架完成，核心设计思路非常巧妙：

(1) 针对目标膜蛋白暴露在水环境中的疏水跨膜螺旋、β桶疏水外表面，AI精准计算所有疏水残基的空间分布、曲率大小、寡聚界面；

(2) 自动生成球状闭合人工蛋白外壳，内侧富集疏水氨基酸、外侧全部为亲水带电氨基酸；

(3) WRAP蛋白通过疏水相互作用自发包裹膜蛋白疏水跨膜区，外部亲水骨架直接赋予整个复合体水溶液超高溶解度，完美模拟细胞膜磷脂双分子层的保护环境。

2. 和传统方法最本质的区别

制备体系	核心原理	是否使用去垢剂	是否保留内源脂质	操作复杂度	适用蛋白类型
DDM/LMNG去垢剂胶束	化学表面活性剂包裹疏水区域	是	大量丢失	中等	稳定性较强的单体膜蛋白
MSP脂质纳米盘	支架蛋白 + 外源磷脂体外重构	微量去垢剂辅助	外源人工脂质	高（多步重构、脂质筛选）	中小型单次跨膜/七次跨膜受体
SMA/SMALP聚合物	两亲高分子原位抓取膜蛋白-脂质颗粒	否	完整内源脂质	中高	GPCR、离子通道
AI WRAP人工蛋白包裹	基因编码蛋白自发结合疏水表面	完全不需要	可共留存膜结合脂质	低（胞内共表达一步产出）	α螺旋多次跨膜、β桶外膜蛋白、寡聚复合体

二、Science论文核心验证数据：结构分辨率与构象保真度拉满

WRAP用de novo蛋白外壳代替去垢剂：OmpA/Tp/GlpG/miniCXCR4 证明“可溶+耐热+配体/酶活/表位全留”，MspA_SBD的 2.95 Å RMSD 0.5–0.7 Å证明“水溶液高分辨结构解析可行”

2.1 方法内核

RFdiffusion生成中空螺旋/β-桶WRAP骨架 → 部分扩散（T=15-20）贴附膜蛋白疏水区 → SolubleMPNN 固定靶序列设计WRAP序列 → AF2过滤 → GS连接肽基因融合，E.coli胞质直接出可溶蛋白，不改膜蛋白天然序列、无去垢剂。

2.2 增溶+稳定性

靶标	类型	可溶得率	热稳(CD/DSF)	关键辅助验证
OmpA	β-桶单体	5/6螺旋WRAP、1/6β桶WRAP可溶	95℃不熔	SEC单峰；ELISA表位保留；native MS结合壳二糖
Tp OMPs (TP0126/0479/0698/0733)	AF2预测β-桶	15–30%设计可溶	折叠完整	感染兔血清ELISA阳性；Apo-AI对照失败
GlpG	多跨膜螺旋蛋白酶	3/6可溶	95℃（去垢剂态Tm=77℃）	FP-TAMRA探针标记野生型、突变体无
miniCXCR4	截短GPCR	2/46可溶	95℃稳定	BLI测CXCL12 KD=390±90 nM；native MS结合plerixafor 1:1

2.3 高分辨结构闭环

靶标：MspA_SBD（分枝杆菌八聚孔蛋白跨膜茎+孔缩区，C8对称，136.7 kDa）。
8个设计1个高表达可溶，75℃内不熔；
cryo-EM（多倾角采集）D8对称 2.95 Å、C1对称 3.34 Å；
与设计模型：C8组件 RMSD 0.7 Å，仅MspA_SBD区 RMSD 0.5 Å；
与去垢剂法全长MspA晶体结构比对 RMSD 0.4 Å；

孔缩区关键残基 Asp91 侧链构象完全保留，C8二聚排布与晶体晶格一致。

三、WRAP技术无可替代的几大应用场景

场景 1：高难度外膜β桶蛋白结构解析

革兰氏阴性菌外膜孔蛋白、毒力分泌系统膜复合体历来对去垢剂极度敏感，极易解聚失活，WRAP无需脂质重构的特性，可大量稳定获取天然寡聚状态样本，助力致病菌靶点结构与抗生素小分子研发

场景 2：疫苗用膜抗原可溶性制备

论文附带拓展数据显示，梅毒螺旋体跨膜抗原蛋白通过WRAP共表达实现高水平可溶性表达，省去复性、去垢剂透析等工艺，为病原体膜蛋白亚单位疫苗研发提供全新蛋白制备工艺。

场景 3：真核膜蛋白上游表达辅助优化延伸

虽然本次论文验证以原核表达体系为主，但Baker团队在讨论部分明确指出：后续可将WRAP与昆虫细胞、哺乳动物细胞膜蛋白共表达系统联用，配合分子伴侣（如FKBP8内质网折叠辅助蛋白）共同提升GPCR、转运体等真核膜蛋白的可溶性，从表达源头降低提取纯化压力。

场景 4：高通量膜蛋白靶点早期筛选

对于CRO公司结构生物学平台、药企靶点早期验证平台，WRAP体系标准化质粒构建后，可批量构建不同跨膜拓扑结构的膜蛋白，减少去垢剂种类摸索、脂质纳米盘配比调试的大量人力与时间成本。

四、现阶段技术局限与行业客观展望

任何颠覆性新技术都存在阶段性适用边界，论文也完整披露了WRAP体系当前的短板，方便各位同行合理规划实验方案：

1. 一对一AI定制成本较高

每一款不同拓扑结构、不同分子量的膜蛋白，都需要利用RFdiffusion模型单独运算设计专属WRAP包裹骨架，暂时无法实现通用型WRAP蛋白批量适配所有膜蛋白，高通量筛选效率受限。

2. 超大分子量膜蛋白复合物暂未覆盖

目前验证体系集中在500个氨基酸以内中小型单体/寡聚膜蛋白，分子量超过150 kDa的巨型膜蛋白超级复合体（如离子通道超组装体、呼吸链复合物）还未完成算法优化与实验验证。

3. 冷冻电镜小分子量颗粒固有短板

WRAP-膜蛋白复合体整体分子量偏小的样本，在冷冻电镜单颗粒收数据时依然会存在颗粒择优取向、信噪比偏低的问题，仍需要配套冰厚优化、微量去垢剂辅助制样等常规补救手段。

五、结构生物学膜蛋白纯化技术迭代路线总结

结合 2026年上半年无去垢剂技术整体进展，行业样本制备路线正在清晰分层迭代：

1. 成熟常规方案：传统 LMNG/DDM去垢剂提取+ MSP纳米盘重构（适合常规稳定性较好的GPCR、小型转运体）

2. 现阶段优选无去垢剂方案：SMA/戊基菊糖多糖聚合物SMALP体系（保留内源脂质，适合构象动态研究）

3. 下一代颠覆性前沿路线：RFdiffusion AI从头设计WRAP包裹蛋白（完全无化学试剂干扰、表达一体化、操作最简）

参考文献：

Original Article: Zhang et al. Membrane protein solubilization and structure determination using de novo–designed proteins. Science, 2026, 393(6410): eadr3817. DOI: 10.1126/science.adr3817

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