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<b>De novo design of dual-topology membrane transporters</b>

跨膜蛋白 运输机 反平行(数学) 化学 蛋白质设计 膜转运 生物物理学 细胞生物学 膜转运蛋白 小分子 生物化学 转运蛋白 跨膜结构域 膜蛋白 生物 基质(水族馆) 底物特异性 化学生物学 蛋白质结构 设计要素和原则 计算生物学 合成生物学 药物发现 结合位点 结构生物学 膜泡运输蛋白质类 内膜 血浆蛋白结合 HEK 293细胞 跨膜通道 机制(生物学) 主要促进者超家族 序列(生物学)
作者
Xi Chen,Xiaofeng Zhou,Jiawei Zhou,Tengyu Xie,Yaning Li,Yuxuan Yan,Jing Huang,Chen Zibo,Dan Ma,Peilong Lu
标识
DOI:10.65215/ltspreprints.2025.12.30.000074
摘要

The transport of molecules across biological membranes is essential for life, allowing cells to acquire nutrients, remove waste, maintain cellular homeostasis and communicate with their environment. Although there have been advances in de novo design of functional transmembrane proteins, designing synthetic transporters that robustly and selectively transport specific small molecules across membranes has remained a significant challenge. In this study, we present the de novo design of dual-topology membrane transporters that achieve substrate-specific transport through a rationally programmed conformational cycle. By integrating symmetric backbone assembly with deep learning–guided sequence optimization, we designed 3-TM proteins that insert in opposite orientations and assemble into antiparallel dimers, forming a putative central substrate binding site that enables alternating access to either side of the membrane. These designed transporters mediate selective uptake of small-molecule dyes in both living cells and artificial liposomes, driven by substrate concentration gradients, resembling those of natural uniporters. Cryo-EM structures reveal high fidelity to the design models, and functional assays corroborate the dual-topology architecture and mechanism of action. Here we show that functional, dynamic membrane transporters can be built from the ground up with atomic-level precision—providing insights into the evolutionary origins of transporters and opening new avenues for applications, including targeted drug delivery and metabolic pathway engineering.
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