多肽主链结构的可设计性是指是否存在能自发、稳定地折叠成该主链结构的氨基酸序列。由数十到数百个氨基酸组成的蛋白质,其主链三维结构有近乎无穷多的可能性,其中绝大部分不具有可设计性。从头设计蛋白质的难点在于人工产生可设计性高的主链结构。本文的目标,是发展计算模型,通过对主链结构的连续自动优化获得高可设计性的主链,并进行实验验证。为此目的,本文采用数据驱动方法,基于当前PDB数据库中的大量天然蛋白质结构数据,构建了统计能量函数SCUBA（SideChain Unknown Backbone Arrangement）。SCUBA的核心思想是用人工神经网络来准确刻画高可设计性主链结构中各类高维度的相关性;训练神经网络所需的数据则来源于用近邻计数（neighbor counting）方法对数据库中各类三维结构元素进行统计分析得到的定量结果;各神经网络能量项的计算能快速且可解析求导,可以用各类基于梯度或力的模拟优化算法进行结构采样和优化。本文对33个天然蛋白的主链结构用SCUBA能量函数进行随机动力学模拟和测试,校准了各统计能量项的相对权重,并验证天然蛋白主链结构在SCUBA能量面上是稳定的。为了测试用SCUBA从头设计的主链结构的可设计性,本文参照天然蛋白质折叠中常见的α/β分层排列的折叠类型,定义了 12种在二级结构单元的排列方式或长度方面互有区别的主链框架,通过模拟煺火优化得到SCUBA能量优化后的主链结构。在天然蛋白结构数据库中的搜索表明对大部分SCUBA优化的主链,都能够找到与之高度相似的天然结构。这表明通过优化SCUBA能量得到稳定结构可以获得可设计性高的主链结构。为了实验验证通过优化SCUBA能量获得的主链可以进行氨基酸序列设计,本文使用固定主链的序列设计方法ABACUS对前述优化得到的主链进行序列设计,并进行若干轮序列设计-主链优化-序列设计的迭代。初始获得的序列能实验表达的比例很低,对个别能表达的蛋白进行进一步实验也未能获得适合结构解析的样品。对设计流程的进一步分析表明前述过程未能充分优化连结二级结构的环区（loop）的主链结构,可能因此降低了整体主链结构的可设计性。基于此假设,结合环区采样闭合算法和SCUBA对每个环区的起始位置、长度、主链结构分别优化,重新获得环区也充分优化的主链结构。本工作对这些主链结构重新设计序列,合成了 30条编码不同人工蛋白的基因,成功纯化了 8个可溶性表达的人工蛋白,随后进行的结晶实验中有5个蛋白形成了晶体,最终对2个状态良好的蛋白晶体进行了结构解析,其余晶体仍需优化。已解析出的晶体结构与设计结构高度相似,主链RMSD分别为1.01 （?）和0.85 （?）。需要特别指出的是,两个结构中10个环区有9个的实验结构与设计结构的RMSD在0.9 （?）以内。在以上主链设计优化以及环区优化过程中,没有考虑序列（侧链）信息。本文得到的实验结果以及课题组的其他实验结果均表明,SCUBA能够在氨基酸序列待定、不使用天然蛋白主链片段拼接的前提下,通过自动优化的方法从头设计获得具有高可设计性的多肽主链结构,并经过后续氨基酸序列设计获得能折叠成预期结构的人工蛋白。SCUBA+ABACUS提供了一条从头设计蛋白的新途径,为在更少受到设计方法约束的前提下进行功能蛋白的从头设计奠定了基础。