创新背景

蛋白质具有物质运输、免疫和催化等基本功能。蛋白质的各种功能在进化过程中逐渐进化。

创新过程

东京大学复杂系统生物学研究中心的理论生物学专家Kunihiko Kaneko教授与同事合作分析了科学数据库中数十万个蛋白质的结构，根据结构的相似性将这些蛋白质分为不同的组。同一组的蛋白质通常是不同动物物种中的同一种蛋白质，例如，人类、大鼠和鱼类的载铁血蛋白血红蛋白将属于同一组。

一个组内的结构变化反映了蛋白质的结构演化。通过进一步的分析表明，蛋白质在进化过程中发生的结构变化和在蛋白质功能动力学中发生的结构变化具有相同的模式。研究发现热噪声引起的变形和突变引起的变形之间的联系，认为这种动态和进化之间的对应关系是由于热波动和突变导致的蛋白质结构变化具有相同的约束条件。

约束条件限制导致了蛋白质功能运动和结构进化的方向之间的密切关系。这种约束的出现可以用这样一个事实来解释：蛋白质结构必须抵抗热噪声和基因突变，但也必须足够敏感，才能发挥作用。

由于热噪声或原子的随机运动，蛋白质在执行其功能时改变其结构。这些动态通常发生在很短的时间范围内，从微秒(百万分之一秒)到毫秒(千分之一秒)。同时，基因突变也可能导致蛋白质结构的变化，从而导致蛋白质的进化。这样的进化过程发生在一代又一代，对应的时间尺度要长得多。

虽然蛋白质的动力学和进化是两个完全不同的过程，但其中有许多相似之处。然而，定量验证并不容易，这种关系的理论起源之前还没有被澄清。研究结果论文Dynamics–Evolution Correspondence in Protein Structures于2021年8月发表在《物理评论快报》上。

图像显示了五种不同物种的光检测蛋白视紫红质，以及揭示蛋白质结构如何随着进化而变化的叠加层。

研究基于对天然蛋白质线性响应的研究，阐明了蛋白质动力学-进化之间的对应关系。研究数据证实，将蛋白质的噪声和突变诱导的变形限制在共同的低维亚空间上至关重要，蛋白质的进化机制获得了动态灵活性和进化结构变异性。研究揭示了蛋白质结构和功能进化的一些制约因素和方向，开发更好的蛋白质结构动力学模型可以让研究人员更多地了解生物体内的奥秘。

创新关键点

通过对来自数百个蛋白质家族的大量蛋白质数据集进行分析，定量证明了噪声诱导的蛋白质动力学与突变诱导的天然结构变异之间的相关性。

创新价值

蛋白质动力学与进化之间的对应关系可以为理解蛋白质的功能行为和分析它们的进化约束提供统一的方法。这些结果也为功能性生命系统和人工智能系统的设计提供新的视角。