激发态动力学可控黄素蛋白的从头设计

设计蛋白质的光化学性质是生物分子设计领域的一项前沿挑战；一旦实现，将为催化和生物分子电子学开辟新的途径。在此，我们展示了一套整合式计算设计框架，并以超快光谱学为支撑，将蛋白质设计、量子力学/分子力学分子动力学（QM/MM MD）和电子结构计算相结合，从而调控从头设计蛋白质中的黄素激发态。经过迭代设计，我们获得了 FC-4D2（一种共价结合黄素、非共价结合血红素 B 的黄素细胞色素）以及 Fl-4D2（去除了血红素结合位点的蛋白质）。两种蛋白质均具有很高的热稳定性，并可呈现所有具有生理相关性的黄素氧化还原态和质子化态；高分辨率 X 射线晶体学结果证实，设计精度接近埃级。将 QM/MM MD 和线性响应含时密度泛函理论（LR-TDDFT）纳入设计流程后，我们得以工程化构建黄素–色氨酸电荷转移变体 Fl-4D2CT。该变体改变了黄素的吸收光谱，显著影响其氧化还原性质，并抑制荧光。超快研究揭示了蛋白质设计如何重塑激发态弛豫的时间尺度和机制。本研究确立了一种模块化策略，可用于编程设计蛋白质中的黄素光化学性质。

在蛋白质中设计光化学性质是生物分子设计领域面临的前沿挑战；一旦实现，将为催化和生物分子电子学开辟新的途径。在此，我们展示了一种综合计算设计框架，并结合超快光谱学验证，通过整合蛋白质设计、量子力学/分子力学分子动力学（QM/MM MD）和电子结构计算，调控从头设计蛋白质中的黄素激发态。经过迭代设计，我们获得了 FC–4D2（一种共价结合黄素、非共价结合血红素 B 的黄素细胞色素）以及 Fl–4D2（去除了血红素结合位点）。两种蛋白质均具有很高的热稳定性，且能够呈现所有具有生理意义的黄素氧化还原态和质子化态；高分辨率 X 射线晶体学进一步证实，设计结构的精度接近埃级。将 QM/MM MD 和线性响应含时密度泛函理论（LR–TDDFT）纳入设计流程后，我们成功设计出黄素–色氨酸电荷转移变体 Fl–4D2CT。该变体改变了黄素的吸收光谱，显著改变其氧化还原性质，并抑制荧光。超快研究揭示了蛋白质设计如何重塑激发态弛豫的时间尺度和机制。本研究确立了一种模块化策略，可用于编程设计蛋白质中的黄素光化学性质。

作者声明不存在利益冲突。

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关键词：从头蛋白质设计 · 黄素蛋白 · 激发态动力学 · 量子力学/分子力学模拟 · 电荷转移 · 超快光谱学

原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.10.08.757584v1?rss=1