膜蛋白結構生物學的前沿涵蓋原位膜蛋白結構、脂質-蛋白質交互作用和藥物設計。
脂質-蛋白質交互作用
Cryo-EM 解析度的提高（< 3 Å）使脂質分子可以直接在密度圖中辨識。結構脂質（structural lipids）——如 cholesterol 插入 GPCR 的跨膜螺旋間溝槽、PIP₂ 結合離子通道的胞內域——對蛋白質穩定性和功能至關重要。原生質譜（Native MS, Laganowsky et al., 2014, Nature）可在氣相中保留膜蛋白-脂質複合體，直接測量結合化學計量和選擇性。MARTINI CG-MD 模擬可預測脂質結合位點並與 Cryo-EM 交叉驗證。
GPCR 結構藥理學
截至 2024 年，PDB 中已有 > 700 個 GPCR 結構（包含不同配體態：agonist, antagonist, inverse agonist, biased agonist）。活化態 GPCR-G protein 複合體結構（Rasmussen et al., 2011, Nature — β₂AR-Gs 複合體）揭示了 receptor activation 的通用機制：TM6 向外移動 ~14 Å 暴露 G protein 結合空腔。Biased agonism 的結構基礎：不同配體穩定不同的 receptor 構象，偏好 Gs vs Gi vs β-arrestin 路徑。AlphaFold-Multimer 正被用於預測 orphan GPCR 的可能配體結合模式。
離子通道的門控機制
Cryo-EM 捕捉了多種通道的 open、closed 和 desensitized 態。TRPV1（capsaicin receptor, Julius, 2021 Nobel）的系列結構揭示了溫度和配體門控的構象循環。KcsA 的 selectivity filter（TVGYG 序列形成的 carbonyl cage）以裸露的 C=O 氧原子精確模擬水合層→高選擇性 K⁺/Na⁺ (~10⁴:1)。MD 模擬（free energy profiles along ion permeation pathway）量化了選擇性的熱力學基礎。
Cryo-ET 在膜蛋白的原位結構
在天然膜環境（native membrane）中解析膜蛋白結構是終極目標。Cryo-ET + subtomogram averaging 已實現：ATP synthase 在線粒體嵴膜中的排列和二聚化（Davies et al., 2011, PNAS）、nuclear pore complex 在核膜中的結構（~23 Å, Kosinski et al., 2016）。FIB-SEM 製備 lamellae 是此方法的前提條件。
Nanobodies 和 megabodies 作為結構工具
駱駝科 VHH nanobody 的小尺寸（~15 kDa）和穩定性使其成為膜蛋白結構的理想工具：穩定特定構象（如 Nb80 穩定 β₂AR 的活化態）、增加粒子大小改善 Cryo-EM 對比度。Megabody（nanobody 融合到大型支架蛋白，Steyaert lab）進一步增大粒子尺寸至 ~100 kDa+，有助於 Cryo-EM 取向分布和解析度。
文獻參考：Deisenhofer, J. et al. (1985). Nature, 318, 618-624. / Rasmussen, S.G.F. et al. (2011). Nature, 477, 549-555. / Liang, Y.L. et al. (2017). Nature, 546, 118-123.