摘要：在生物醫學(xué)領(lǐng)域，納米抗體（Nanobodies）作為一種新興的工具，正逐漸展現出其獨特的魅力。它們不僅在診斷、治療和生物傳感等方面有著(zhù)廣泛的應用前景，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構特性、功能屬性以及計算方法在納米抗體設計和優(yōu)化中的應用，力求以通俗易懂的方式呈現這一復雜而前沿的科學(xué)話(huà)題。
一、納米抗體：小而強大的工具
納米抗體是駱駝科動(dòng)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?jì)H為 12-15 kDa，遠小于傳統抗體的 150 kDa。這種小尺寸使得納米抗體具有更高的穩定性和溶解性，同時(shí)保留了與抗原高親和力結合的能力。納米抗體的結構框架由三個(gè)互補決定區（CDR）組成，其中 CDR-H3 是最 具變異性的一部分，長(cháng)度通常在 12-18 個(gè)殘基之間，對特異性結合抗原起著(zhù)關(guān)鍵作用。
納米抗體的獨特之處在于其能夠識別和結合傳統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學(xué)研究中具有獨特的優(yōu)勢，例如在穩定蛋白質(zhì)構象、控制 G 蛋白偶聯(lián)受體的別構調節等方面展現出巨大的潛力。
二、計算方法助力納米抗體設計
隨著(zhù)計算技術(shù)的發(fā)展，計算模型和設計方法在納米抗體的研究中扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色。這些方法不僅加速了納米抗體的發(fā)現和優(yōu)化過(guò)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）結構預測
準確預測納米抗體的結構，尤其是 CDR 環(huán)的構象，是納米抗體設計的關(guān)鍵挑戰之一。近年來(lái)，機器學(xué)習方法在這一領(lǐng)域取得了顯著(zhù)進(jìn)展。例如，AlphaFold 2.2 版本在預測納米抗體結構時(shí)表現出色，能夠準確預測 CDR-H3 環(huán)的構象。此外，ImmuneBuilder 和 NanoNet 等工具也為納米抗體結構預測提供了高效的解決方案。圖 1 展示了 AlphaFold 2.2 預測的納米抗體結構與實(shí)驗結構的對比，可以看到預測結構與實(shí)驗結構高度一致。
（二）分子動(dòng)力學(xué)模擬
分子動(dòng)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(guò)模擬，研究人員可以觀(guān)察納米抗體在結合抗原時(shí)的動(dòng)態(tài)變化，以及 CDR 環(huán)的靈活性如何影響結合親和力。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、氫鍵和靜電互補區域在高親和力結合中的重要作用。圖 2 展示了 HIV p24 與納米抗體結合時(shí)的 MD 模擬結果，可以看到納米抗體的 CDR 環(huán)與抗原之間的相互作用。
（三）增強采樣模擬
為了更全面地探索納米抗體的構象空間，增強采樣模擬技術(shù)如高斯加速 MD（GaMD）被引入。GaMD 通過(guò)施加諧波增強勢能，降低系統能量屏障，加速結構動(dòng)力學(xué)過(guò)程。在研究納米抗體與 G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）的結合時(shí)，GaMD 模擬展示了受體正位配體結合口袋的別構閉合過(guò)程，為理解 GPCR-納米抗體結合機制提供了重要見(jiàn)解。圖 3 展示了 GaMD 模擬中 GPCR 與納米抗體結合的動(dòng)態(tài)過(guò)程。
三、納米抗體數據庫：資源與支持
納米抗體數據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(kāi)發(fā)和應用。例如，INDI 數據庫包含了超過(guò) 1100 萬(wàn)個(gè)納米抗體序列，其搜索工具可以幫助找到與查詢(xún)序列最匹配的可變序列。SAbDab-nano 是一個(gè)專(zhuān)門(mén)的納米抗體結構數據庫，截至 2024 年 3 月，已包含 1454 個(gè)納米抗體結構。此外，NanoLAS 數據庫整合了來(lái)自多個(gè)數據庫的納米抗體數據，提供了一個(gè)用戶(hù)友好、高效且交互式的平臺，用于數據查詢(xún)和分析。圖 4 展示了 NanoLAS 數據庫的界面，可以看到其豐富的功能和便捷的操作。
四、納米抗體設計的計算方法
（一）結構和片段基礎設計
結構基礎設計涉及對納米抗體的理性工程和改造，以增強結合親和力、提高穩定性、降低免疫原性等。例如，通過(guò)將特定序列移植到穩定的納米抗體框架上，可以設計出針對阿爾茨海默病相關(guān) tau 蛋白的納米抗體。此外，片段基礎設計方法通過(guò)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 展示了結構基礎設計的流程，可以看到從序列選擇到最終設計的全過(guò)程。
（二）計算親和力成熟
計算親和力成熟是指利用計算技術(shù)迭代設計和優(yōu)化納米抗體序列或結構，以提高其與目標抗原的結合親和力。例如，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬、分子對接評分和穩定性預測等方法，可以準確評估納米抗體的實(shí)驗產(chǎn)量，并識別由突變引起的結構變化。此外，深度學(xué)習模型如 NanoBERT 可以基于序列預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。圖 6 展示了計算親和力成熟的過(guò)程，可以看到通過(guò)多次迭代優(yōu)化，納米抗體的結合親和力顯著(zhù)提高。
五、Quenchbody：納米抗體的創(chuàng )新應用
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制：當抗體片段與抗原結合時(shí)，熒光染料分子從猝滅的色氨酸殘基中移開(kāi)，導致熒光強度增加。這種檢測方法簡(jiǎn)單、易操作且高度靈敏。Q-body 的工作機制，可以看到抗原結合前后熒光強度的變化。
六、結論
納米抗體作為一種小而強大的工具，在生物醫學(xué)和治療領(lǐng)域展現出了巨大的潛力。計算方法的發(fā)展為納米抗體的設計和優(yōu)化提供了強有力的支持，使得研究人員能夠更快速、更精確地開(kāi)發(fā)出具有特定功能的納米抗體。隨著(zhù)計算技術(shù)的不斷進(jìn)步，納米抗體在生物醫學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域的應用前景將更加廣闊，有望為人類(lèi)健康和疾病診斷帶來(lái)更多的創(chuàng )新解決方案。
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