近日网络配资门户，南京大学教授郑鹏和团队造出一种全新的超级，不仅比人体肌肉组织里的天然蛋白质坚韧 4 倍以上，而且还能在开水里安然无恙，甚至能够承受 150℃ 的高温，这打破了人们对于蛋白质怕热的固有印象。蛋白质的机械强度被人工设计提升到纳牛顿的级别，堪比自然界已知的最坚韧的一些分子相互作用。
在成果方面：
首先，他们成功设计出的最强蛋白质（如 F553），其解折叠力最高可达约 1,000 皮牛顿，这大约是天然基准蛋白（如 I27，约 200 皮牛顿）的五倍。
其次，他们并非只获得了一个“最强”个体，而是设计了一个定制化的系列组件，从 4 个氢键（天然）开始，他们逐级设计出具有 8 个、13 个、18 个……直至 33 个氢键的蛋白质，对应的力学强度也从 200 皮牛顿逐步提升到 400、600、800 乃至 1,000 皮牛顿。这意味着未来可以根据不同应用场景的力学需求，按需选用不同强度的“零件”。
再次，这些设计出来的超级肌蛋白（SuperMyo）不仅力学稳定性超强，还表现出卓越的热稳定性。它们能够耐受 150 摄氏度的高温，而普通蛋白质比如鸡蛋中的蛋白在加热后就会变性凝固。
当把这些超级蛋白质组装成富有弹性的透明水凝胶，这些水凝胶即使放在高压锅里经过 121℃的高温蒸煮也不会融化或者变形。未来可以用它来制造更安全、更耐用的人造组织、药物缓释载体，甚至能够造出可以在极端环境下工作的智能材料。也许在不久的将来，我们的身体里会植入使用超级肌蛋白制成的人造韧带，火星基底里会使用能在极端低温环境下工作的蛋白质机器。
研究中，AI 起到了决定性的设计作用。郑鹏团队虽然从天然蛋白中观测并理解了剪切氢键是力学强度关键这一原理，但在此之前，想要人工设计一个具有特定数量（如 4 个、8 个、10 个）剪切氢键的全新蛋白质，几乎是不可能的任务。正是 AI 蛋白质设计工具和高精度结构预测工具（如 AlphaFold2）的出现，才让他的多年梦想得以实现。
他告诉 DeepTech：“总的来说，我们首次通过系统的实验数据，揭示了蛋白质的力学强度与其内部特定氢键数量之间存在着明确的正相关关系。其次，这是首次从头设计出能够承受 1,000 皮牛顿即纳牛顿级别力学强度的全新蛋白质。
再者，我们设计的这种蛋白质材料能够耐受 121 摄氏度的高压灭菌条件，这对于需要严格无菌的医用生物材料而言，是前所未有的重要特性，具有巨大的应用前景。”
以自然界的微小分子拉链为启示
和很多研究一样，本次课题也采取了师法自然的做法。人体内有一根非常长的好比是“橡皮筋”的存在，它的名字叫做肌联蛋白，它也是我们的肌肉富有弹性的关键。肌联蛋白并不是一整根，而是由许多小珠子串起来的，每一个小珠字都是一个独立的蛋白质结构域。
郑鹏团队重点研究了一个名为 127 的小珠子。在原子级显微镜下，127 的形状有点像一个小小的三明治，中间夹层由几条面条状的结构也就是 β 折叠片构成。当肌肉进行拉伸时，拉力就像在拉这个三明治的两端，这时中间夹层的面条就会被拉开。
不过，关键在于拉开的方式。如果拉力是从一端到另一端像拉开拉链一样，把氢键一个一个地扯开，这时需要的力气比较小。但如果拉力是让 β 折叠片之间发生剪切式的错位，那么要想让所有的氢键同时崩断，就需要大得多的力气。
这就像拆开两片粘在一起的魔术贴一样。当你慢慢地从一角掀起也就是采用拉开拉链的模式，就会非常轻松；但如果你试图把两片魔术贴直接地平行撕开也就是采用剪切模式，则会非常费力。大自然中那些最坚韧的材料，比如蜘蛛丝以及某些细菌用来牢牢粘物体上的天然胶水，都是使用剪切模式来抵抗外力。
这让郑鹏团队意识到：蛋白质的抗拉强度，在很大程度上取决于它内部有多少对氢键，以及这些氢键是否在剪切模式下共同受力。对于氢键来说，我们可以把它想象成一种微弱的、带磁性的小手，它能把蛋白质的不同部分拉在一起。手牵得越多，整体就越牢固。
用 AI 加模拟的方式在电脑里造物
道理弄明白了，但是如何制造比 127 更强韧的蛋白质呢？使用传统的试错方法，比如随便替换几个零件也就是氨基酸，效果是微乎其微的。
这时，郑鹏团队在 AI 和分子模拟技术的帮助之下，设计了一条计算流水线。
他们从 127 的三明治里，切下了两条最关键的负责受力的 β 链，把它们作为核心设计元素输入给一个名为 RFdiffusion 的 AI 模型。这个模型能够围绕所给出的核心元素，脑补出成千上万个全新的蛋白质骨架结构。那些设计糟糕的方案会被直接淘汰，而结构合理的、成功延长了 β 链的优秀方案则被保留下来。
光有骨架还不够，还得给骨架配上合适的血肉也就是氨基酸序列，只有这样才能折叠成想要的形状。这时，另一个名为的 AI 模型出场了。它是个“序列设计师”，专门根据给定的蛋白质骨架，反向设计出最有可能的 AI 模型开始派上用场。
它是一个序列设计师，可以根据给定的蛋白质骨架，反向设计出最有可能折叠成为这个形状的氨基酸序列。只需一个骨架，它就能设计出 400 种不同的填色方案。
那么，设计好的序列真的能够折叠成想要的形状吗？郑鹏团队以 ESMFold 和 AlphaFold2 作为预言家来对此进行检验。ESMFold 的速度非常快，能够针对成千上万的序列做初步结构预测和打分。得分最高的 1,000 个，再来交给更精准的 AlphaFold2 来做最终裁判。只有那些预测结构与最初草图高度吻合、并且置信度分数极高的设计方案，才能进入下一轮。
除了通过来自于 AI 的考验，还要在虚拟世界里接受严酷的压力测试。通过使用分子动力学模拟技术，郑鹏团队在超级计算机里为这些虚拟蛋白质分子创造了一个近乎真实的环境。
第一个测试是拉力测试，使用牵引分子动力学模拟技术虚拟地拉扯蛋白质的两端，看看到底需要多大力气才会被拉散架，从而能够测量出来“解折叠力”（unfolding force）。
第二个测试时耐热测试，使用退火模拟把虚拟环境的温度从极冷的绝对零度，一路飙升到 140 摄氏度，借此检测蛋白质结构在高温下是否会散架。
结果这一轮轮的 AI 生成、AI 筛选和物理模拟筛选，郑鹏团队从 20 万个候选设计中，最终锁定了几个最有潜力的超级蛋白质设计方案，并将它们命名为 SuperMyo。
现实世界的检验：从皮牛顿到纳米牛顿
电脑里的预测再完美，需要现实世界的验证。郑鹏团队把这些设计出来的 SuperMyo 基因放入细菌工厂中，成功产出了真实的蛋白质。
那么，如何测量一个只有纳米大小的蛋白质分子的强度？他们使用了原子力显微镜，这种显微镜的尖端比针尖还要细许多倍。他们把单个 SuperMyo 蛋白质分子的一端固定在玻璃片上，另一端黏在原子力显微镜的尖端上。然后，控制尖端缓缓向上拉，这时就能像一个微型拉力计一样，实时地记录下来拉开这个分子所需要的力的大小。
结果发现：天然的 127 小珠子，在实验中被拉开需要大约 250 皮牛顿的力（皮牛顿是非常小的力单位）。而第一代设计的 SuperMyo A339 需要大约 350 皮牛顿的力，强度提升了大约 40%。
但是只是一个开始，郑鹏团队并没有止步于此，他们采用了迭代设计的策略，使用第一代 A339 的核心 β 链作为新的起点，继续使用 AI 和模拟技术来延长它，并增加了更多的氢键。就这样，他们设计出了 B 系列、C 系列...... 直到 F 系列。
每一次迭代，抗拉强度得到了显著提升。实验数据显示，最强的 SuperMyo F553 其解折叠力达到了惊人的 1050 皮牛顿，是天然 127 的 4 倍多，预测结果显示它可以承受超过 2500 皮牛顿的力。
更重要的是，实验数据清晰显明：蛋白质力的氢键对数越多，它能承受的拉力就越大。这完美验证了郑鹏团队最初的设计理念：通过剪切式氢键网络的最大化来打造超强蛋白质。
SuperMyo 不仅非常强壮，还很耐造。它具备可逆折叠的特性，能够像真正的弹簧一样，被拉直之后一旦松开，还能自己恢复原状。以名为 B342 的 SuperMyo 为例，它的回弹成功率高达大约 90%。
它也具备超级耐热的特性，普通的 127 在 70 摄氏度左右就会变性失活。而 SuperMyo 在一种检测蛋白质结构的仪器也就是圆二色光谱仪的检测之下，即时加热到 100 摄氏度，结构依然稳如泰山。
从分子到材料：打造不怕高温的智能果冻
SuperMyo 单个分子的性能这么强，如何转化成为我们能看见的、能使用的材料呢？郑鹏团队想到了水凝胶。这是一种富含水分的三维网络材料，其实像果冻和隐形眼镜都属于水凝胶。很多生物医用材料用的都是蛋白质水凝胶，但是它们普遍怕热，无法进行高温灭菌，以至于应用范围受到了限制。
而郑鹏团队使用了一个分子扣件系统——SpyTag/SpyCatcher。它俩就像是一堆来自于大自然的魔术贴，只要碰到一起就会牢牢结合。基于此，他们把名字为 A339 和 B42 的 SuperMyo 蛋白质像串珠子一样，使用 SpyTag 连接成为多聚体。
同时，把它的搭档 SpyCatcher 连接到一种四臂的聚乙二醇分子上。当两者混合之后，SpyTag 和 SpyCatcher 就会迅速扣合，将蛋白质和聚乙二醇交联在一起，瞬间即可形成透明的水凝胶。
正是基于这些性能，让不同实验出现了冰火两重天的对比效果。用此前天然 127 小珠子制成的水凝胶，一旦被加热到 80 摄氏度一样就会浑浊和软化。而使用 SuperMyo A339 和 B42 制成的水凝胶，在 121 摄氏度的高温下仍能保持透明和凝胶状。
在一种测量材料软硬粘弹性的仪器也就是在流变仪的测试中，127 水凝胶在 80 摄氏度附近发生弹性上的骤变，这意味着它的结构崩塌；而 SuperMyo 水凝胶的弹性模量在整个加热过程中始终保持稳定。这意味着，这种新型蛋白水凝胶可以直接进行高压蒸汽灭菌，为制造无菌的、可长期植入的生物医用材料铺平了道路。
郑鹏回忆称：“当我们通过 AI 设计，大幅度改变了蛋白质的氨基酸序列（有时改变量高达 50 或 100 个氨基酸）后，这些全新的蛋白质竟然真的能在细菌中成功表达并纯化出来。这本身就非常神奇，证明了 AI 蛋白质设计的强大能力。
而当我们逐步增加氢键数量，最终达到 33 个时，在实验中观测到解折叠力突破 1,000 皮牛顿的那一刻。这非常令人振奋，它不仅仅是我们团队的成功，更是证实了我们整个领域几十年来关于剪切氢键决定力学强度这一猜想的正确性，并且我们真的利用这个规律取得了巨大的性能突破。”
当然，这项研究并不仅仅是为了创造几个最强的蛋白质记录，它更是证明了一种全新的、可推广的蛋白质理性设计范式。即把深刻的化学物理原理，与 AI 生成工具和物理模拟相结合，就能造出自然界不存在的、具有卓越性能的蛋白质。
郑鹏表示，AI 是这项研究的决定性工具，没有它这个课题就无法完成。但他和团队对于蛋白质，特别是其神奇力学功能的知识积累，其实始于更早之前。郑鹏从 2015 年回国工作以来，近十年时间都在研究蛋白质的力学性质与稳定性。
可以说，长期的基础研究是土壤。转折点出现在 AlphaFold2 等 AI 工具的出现，他和团队对此非常兴奋，因为实现他们构想的钥匙终于来了。具体到本次工作，他们集中投入了大约三到四年的时间进行 AI 设计、模拟验证和实验测试。但若从整个知识和技术储备的脉络看，可以说是近十年的积累才最终促成了这项成功。
郑鹏补充称，蛋白质虽然很早就被认知，但它之所以有永恒的研究魅力，是因为它几乎执行了生命的所有功能。关于此可以举出无数例子：肌肉收缩让我们能跑能跳、心脏搏动、视觉感知、听觉形成、食物消化……生命每一种功能的背后，几乎都有特定的蛋白质在运作。
生命的功能无穷无尽，对应的蛋白质及其研究课题也就无穷无尽。过去，人们主要是在发现和理解天然的蛋白质。而如今，AI 让其进入了新的阶段：不仅可以理解天然蛋白，还可以重新设计它们，甚至创造出比天然版本性能更好的全新蛋白质。这就是蛋白质设计领域的魅力与未来，其中又蕴含着无穷的可能性。
参考资料：
相关论文 https://doi.org/10.1038/s41557-025-01998-3
https://www.nature.com/articles/s41557-025-01998-3
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