个人简介

卢培龙（1988- ），河北吴桥人，从事合成生物学、生物物理学、生物化学与计算生物学多学科交叉研究，研究方向为蛋白质设计；2009年毕业于中国科学技术大学生命学院，并获得学士学位；2014年毕业于清华大学生命学院并获得理学博士学位；随后在美国华盛顿大学（西雅图）蛋白质设计研究所进行博士后研究。于2019年全职加入西湖大学生命科学学院任特聘研究员（Principal Investigator），组建蛋白质设计/合成生物学实验室，并入选当年《麻省理工科技评论》35岁以下科技创新35人（中国）。

学术成果

卢培龙博士在建立独立实验室后，同华盛顿大学合作完成了纳米孔膜蛋白的精确设计，证明人工设计的跨膜蛋白可以被精准设计并行使功能；在博士后期间从头精确设计了多次穿膜蛋白质的三维结构；在攻读博士期间主要从事蛋白质结构生物学研究，解析了γ-分泌酶等复合物的精细三维结构。曾多次受邀在相关领域的国际会议(Gordon Research Conference, Protein Society Meeting)上进行口头报告，多次受邀为PNAS等期刊审稿，申请相关美国专利2项；主持科技部重点研发计划（合成生物学青年项目）与国家自然科学基金委青年科学基金等科研项目。

1. 跨膜蛋白质三维结构精确设计

蛋白质设计（Protein Design）是合成生物学的重要分支和新兴的前沿学科，需要生物物理学、生物化学以及计算生物学等多学科的交叉融合。蛋白质设计是基于生物物理与生物化学原理，通过计算机模拟辅助，设计蛋白质氨基酸序列，从而使其能够自发折叠形成设计预期的三维结构。人工设计的，具有全新结构和全新功能的蛋白质，将会广泛应用于生物医药和生物技术领域并产生深远影响。

针对跨膜蛋白质的三维结构精确设计具有很大挑战性。卢培龙博士通过计算生物学手段模拟蛋白质极性残基在膜环境内部形成的相互作用，设计了能够在膜环境中稳定存在的蛋白质三维结构，并进行重组表达，生化性质测定，三维结构解析等一系列实验来进行验证。卢培龙博士利用这一方法成功设计了多种具有极高热稳定性的跨膜蛋白质，并证明了计算机设计的蛋白质序列可以在膜环境中自发折叠形成与设计模型一致的结构。该研究在世界上首次实现了多次跨膜蛋白三维结构的精确设计，为设计具有全新结构和全新功能的跨膜蛋白铺平了道路，并可能对疫苗设计，DNA纳米孔测序，人工细胞信号环路设计等重要领域产生深远影响。该工作发表于Science杂志，并被新华社报道。

在西湖大学建立独立实验室以后，卢培龙博士与华盛顿大学David Baker教授继续合作，针对跨膜纳米孔蛋白质进行从头设计，开发了计算方法，并进行实验验证。最终设计了由16个ɑ螺旋组成的同心环状的跨膜纳米孔蛋白质，并证明从头设计的模型与实验中获得的纳米孔结构高度一致。本研究在世界上首次实现了跨膜纳米孔蛋白质的精确从头设计，有望将来应用于纳米孔测序技术，提高DNA纳米孔测序技术的精度，并将有助于设计和开发基于纳米孔的分子测序与检测技术。本研究也为其他的功能性跨膜蛋白质的设计提供重要线索，有助于更好地理解跨膜转运蛋白的选择性机制，该工作发表于Nature杂志。

2. 重大疾病相关膜蛋白的结构和功能

卢培龙博士在攻读博士期间主要从事重大疾病相关膜蛋白的结构和功能研究。主要包括：（1）人源γ-分泌酶结构生物学研究：在世界上首次解析了γ-分泌酶复合物的精细三维结构，为理解γ-分泌酶的工作机制以及阿尔兹海默症的发病机理提供了重要线索。该工作以长文形式发表于Nature杂志，并入选了“2014年中国十大科技进展新闻”。随后还报道了γ-分泌酶原子分辨率结构。（2）氨基酸反向转运蛋白GadC与大肠杆菌耐酸性系统研究：报道了GadC的晶体结构，并结合生化实验提出了GadC转运底物的机制。基于这一研究，还发现并鉴定了一种全新的大肠杆菌耐酸性系统。这些研究对于了解胃肠道致病菌的生理学特性具有重要的意义。（3）抗坏血酸依赖型氧化还原酶(Cyt b₅₆₁)结构与功能研究： Cyt b₅₆₁在抗坏血酸循环和铁元素的吸收过程中起到了重要作用。解析了Cyt b₅₆₁高分辨晶体结构并对其工作机理进行了系统地研究，提出了Cyt b₅₆₁结合底物以及传递电子的分子机制。

研究方向

研究组将致力于蛋白质相关设计这一多学科交叉领域的研究。实验室主要研究内容包括：

（1）重大疾病相关膜蛋白质的拮抗蛋白质设计：拮抗蛋白质主要靶向作用于离子通道蛋白以及膜受体蛋白特定区域，并调控其生理功能。

（2）为解决重大生物学问题设计新型蛋白质工具。

（3）功能性膜蛋白质设计：主要包括新型跨膜纳米孔蛋白质、新型离子通道、以及新型膜受体的人工设计。

这些研究将会极大地推动蛋白质设计领域的发展，为人类提供前所未有的新型方法和工具应用于生物医学研究，并在生物技术和生物医药领域有着广阔的科研转化前景，符合“中国制造2025”战略性新型产业发展的重大需求。

代表论文

Main Author

1. XuC*,LuP *#,El Din T, Pei X, Johnson M, Uyeda A, Bick M, Xu Q, Jiang D, Bai H, Reggiano G, Hsia Y, Brunette TJ, Dou J, Ma D, Lynch E, Boyken S, Huang P, Stewart L, DiMaio F, Kollman J, Luisi B, Matsuura T,CatterallW,BakerD#.  Computational Design of Transmembrane Pores.Nature, 2020;585, 129–134.

2. M Xie*#, Lu P*#. When de novo-designed protein logics meet CAR-T therapies. Cell Research 2020;30 (11), 946-947

3. Lu P, Min D, DiMaio F, Wei KY, Vahey MD, Boyken SE, Chen Z, Fallas JA, Ueda G, Sheffler W, Mulligan VK, Xu W, Bowie JU, Baker D. Accurate computational design of multipass transmembrane proteins. Science. 2018; 359(6379):1042-1046.

4. Lu P*, Bai X*, Ma D*, Xie T, Yan C, Sun L, Yang G, Zhao Y, Zhou R, Sheres S, Shi Y. Three-dimensional structure of human γ-secretase. Nature. 2014; 512(7513):166-70.

5. Lu P*, Ma D*, Yan C, Gong X, Du M, Shi Y. Structure and mechanism of a eukaryotic transmembrane ascorbate-dependent oxidoreductase. PNAS 2014; 111(5):1813-8.

6. Lu P*, Ma D*, Chen Y, Guo Y, Chen GQ, Deng H, Shi Y. L-glutamine provides acid resistance for Escherichia coli through enzymatic release of ammonia. Cell Res. 2013; 23(5):635-44.

7. Ma D*, Lu P*, Shi Y. Substrate selectivity of the acid-activated glutamate/γ-aminobutyric acid (GABA) antiporter GadC from Escherichia coli. J Biol Chem. 2013; 288 (21):15148-53.

8. Lu P*, Lu G*, Yan C, Wang L, Li W, Yin P. Structure of the mRNA splicing complex component Cwc2: insights into RNA recognition. Biochem J. 2012; 441(2):591-7.

Contributing Author

9. Z Chen, SE Boyken, M Jia, F Busch, D Flores-Solis, MJ Bick, P Lu, Z VanAernum, A Sahasrabuddhe, R Langan, S Bermeo, TJ Brunette, V.K. Mulligan, L.P. Carter, F DiMaio, N.G. Sgourakis, V.H Wysocki, D Baker. Programmable design of orthogonal protein heterodimers. Nature. 2019; 565 (7737), 106.

10. D Ma, Z Wang, CN Merrikh, KS Lang, P Lu, X Li, H Merrikh, Z Rao, W Xu. Crystal structure of a membrane-bound O-acyltransferase. Nature. 2018; 562 (7726), 286.

11. Jiang D, Gamal El-Din TM, Ing C, Lu P, Pomès R, Zheng N, Catterall WA. Structural basis for gating pore current in periodic paralysis. Nature. 2018 May;557(7706):590-594. 

12. Bai X*, Yan C*, Yang G*, Lu P, Ma D, Sun L, Zhou R, Sheres S, Shi Y. An atomic structure of human γ-secretase. Nature. 2015; 525(7568):212-217.

13. Xie T*, Yan C*, Zhou R, Zhao Y, Sun L, Yang G, Lu P, Ma D, Shi Y. Crystal structure of the γ-secretase component nicastrin. PNAS 2014 Sep 16;111(37):13349-54.

14. Ma D, Lu P, Yan C, Fan C, Yin P, Wang J, Shi Y. Structure and mechanism of a glutamate-GABA antiporter. Nature. 2012; 483(7391):632-6.

15. Huang W*, Choi W*, Hu W, Mi N, Guo Q, Ma M, Liu M, Tian Y, Lu P, Wang FL, Deng H, Liu L, Gao N, Yu L, Shi Y. Crystal structure and biochemical analyses reveal Beclin 1 as a novel membrane binding protein. Cell Res. 2012; 22(3):473-89.

16. Wang Y*, Huang Y*, Wang J, Cheng C, Huang W, Lu P, Xu YN, Wang P, Yan N, Shi Y. Structure of the formate transporter FocA reveals a pentameric aquaporin-like channel. Nature. 2009; 462(7272):467-72.

*equal contribution. # Corresponding author.

联系方式

　　电子邮箱：lupeilong@westlake.edu.cn
　　实验室于2019年开始招收博士研究生，现有多个副研究员、助理研究员和科研助理职位虚位以待。期待共同为膜蛋白质设计这一新兴领域的发展作出贡献！