自然界使用20種典型的氨基酸作為製造蛋白質的構件，將它們的序列組合起來，創造出能發揮生物功能的複雜分子。但是，自然界沒有選擇的序列會發生什麼？在構建全新的序列以製造新的，或從頭開始的，與自然界中的任何東西幾乎沒有相似之處的蛋白質方面，又有什麼可能性呢？

普林斯頓大學的Michael Hecht教授和他的研究小組在化學領域取得了一項重大發現，他們創造了第一個已知的能催化量子點合成的從頭蛋白質。量子點是具有熒光特性的納米晶體，被用於一系列的電子應用，包括LED屏幕和太陽能電池板。這種創造量子點的新方法有可能比目前的方法更具有可持續性和環保性，因為它表明可以使用並非來自自然界的蛋白質序列來合成功能性材料。

在電子顯微鏡下拍攝的量子點的圖像。這些量子點是在赫克特實驗室使用新蛋白質生產的。每個量子點的直徑為2納米，這是一個重要的因素，因為粒子的大小決定了它們發光的顏色，或者說熒光。資料來源：赫克特和斯科爾斯實驗室提供

這就是化學教授Michael Hecht和他的研究小組工作的領域，最近，他們對設計自己的序列的好奇心得到了回報。

他們發現了第一個已知的催化或驅動量子點合成的de novo（新創建）蛋白質，量子點是用於從LED屏幕到太陽能電池板等電子應用的熒光納米晶體。

他們的工作打開了以更可持續的方式製造納米材料的大門，證明了並非來自自然界的蛋白質序列可以用來合成功能性材料，這對環境有明顯的好處。

量子點通常是在工業環境中用高溫和有毒、昂貴的溶劑製造的–這種過程既不經濟也不環保。但是Hecht和他的研究小組在實驗室裡用水作為溶劑完成了這一過程，在室溫下製造出了穩定的最終產品。

Hecht說：”我們對製造生命分子、蛋白質感興趣，它們並不是在生命中產生的，”他與威廉-S-托德化學教授和系主任格雷格-斯科爾斯一起領導了這項研究。”在某些方面，我們在問，是否存在我們所知的生命的替代品？地球上的所有生命都來自共同的祖先。但是，如果我們製造出並非來自共同祖先的栩栩如生的分子，它們能做很酷的事情嗎？所以在這裡，我們正在製造從未在生命中出現過的新型蛋白質，做生命中不存在的事情。”

該團隊的工藝還可以調整納米粒子的大小，這決定了量子點的顏色，或熒光。這為在生物系統中標記分子提供了可能性，例如對體內的癌細胞進行染色。

邁克爾-赫克特教授和第五年的研究生以及量子點研究的合作者姚躍宇在弗里克實驗室圖片來源：傑西-康登的照片

“量子點因其尺寸而具有非常有趣的光學特性，”該論文的共同作者、赫克特實驗室五年級研究生姚躍宇說。”它們非常善於吸收光線並將其轉化為化學能–這使得它們在被製成太陽能電池板或任何種類的光傳感器方面非常有用。但另一方面，它們也非常善於以某種所需的波長發光，這使它們適合於製作LED屏幕。”而且，由於它們很小–僅由大約100個原子組成，寬度可能為2納米–它們能夠穿透一些生物屏障，使它們在藥品和生物成像方面的用途特別有希望。

“我認為使用新蛋白質為可設計性開闢了一條道路，”這項研究的主要作者、斯科爾斯實驗室的前博士後Leah Spangler說。”對我來說，一個關鍵詞是’工程’。我希望能夠設計蛋白質來做一些特定的事情，而這是一種你可以做到的蛋白質類型。

她補充說：”我們正在製造的量子點質量還不是很好，但這可以通過調整合成方法來改善。我們可以通過設計蛋白質以不同的方式影響量子點的形成來實現更好的質量。”

Leah Spangler，論文的主要作者，去年在弗里克實驗室

基於通訊作者Sarangan Chari（Hecht實驗室的高級化學家）所做的工作，該團隊使用其設計的名為ConK的新蛋白質來催化該反應。研究人員於2016年首次從一個大型蛋白質組合庫中分離出了ConK。它仍然由天然氨基酸組成，但它符合”從頭開始”的條件，因為它的序列與天然蛋白質沒有任何相似性。

研究人員發現，ConK使大腸桿菌在其他有毒濃度的銅中生存，這表明它可能對金屬結合和封存有用。這項研究中使用的量子點是由硫化鎘製成的。鎘是一種金屬，所以研究人員想知道ConK是否可以用來合成量子點。

他們的預感得到了回報，ConK將20種氨基酸之一的半胱氨酸分解成幾種產物，包括硫化氫。這將作為活性硫源，然後與金屬鎘反應，其結果是硫化鎘量子點。為了製造這種量子點，需要將鎘源和硫源在溶液中反應。蛋白質所做的是隨著時間的推移緩慢地製造硫源。因此，最初添加鎘，但蛋白質會產生硫，然後發生反應，形成不同大小的量子點。

這項研究得到了美國國家科學基金會MRSEC項目（DMR-2011750）、普林斯頓大學寫作中心和加拿大高級研究所的支持。該研究還得到了美國國家科學基金會資助的MCB-1947720對MH的支持。