科学家首次造出分子开关,有望自动调节任意细胞功能

来源:新浪科技发布时间:2019-07-26

大自然是我们最好的老师。经过数十亿年的演化,地球上的生命早已为我们提供了大量宝贵的资源。

有人说,大自然是我们最好的老师。经过数十亿年的演化,地球上的生命早已为我们提供了大量宝贵的资源。辅以人类的智慧,科学家们也将其中不少有趣的现象改造成了突破性的科研工具,近年来大放异彩的CRISPR基因编辑技术与光遗传学便是其中的佼佼案例。

科学家首次造出分子开关,有望自动调节任意细胞功能

然而,今日背靠背发表在最新一期《自然》杂志上的两篇论文,昭示着人类已经从“大自然”这里成功出师,开辟出了一片崭新的天地——科学家们成功设计出了一种由蛋白质组成的分子开关,可用于调节任意的细胞功能。值得一提的是,这些蛋白设计并没有大自然的原型可以参考,而是完完全全出自人类自己的智慧!

“这是首批完全由人类构想并创造的生物技术工具。”介绍这两篇论文的官方新闻稿中这样说道。

科学家首次造出分子开关,有望自动调节任意细胞功能1

▲LOCKR系统的简单图示(图片来源:参考资料[1])

这一具有里程碑意义的工具缩写是LOCKR,它是一类由人工设计的蛋白质,能在细胞中根据热力学条件的不同,发生构象变化,从而释放出具有生物活性的多肽,控制多种多样的细胞功能。这听起来有些复杂,运作的机理却并不复杂——同样是在官方的新闻稿中,这一类蛋白质被比作是空调的“调温器”。如果感知到房间里的温度太高,它就会发出信号,开启制冷功能。如果温度太低,它就会暂停制冷。

不同的是,这些人工设计的分子开关所监测的不是房间里的温度,而是细胞内各种各样的反应信号!

在这两篇《自然》论文中,人工设计蛋白领域的“大神”David Baker教授与合成生物学专家Hana El-Samad教授的课题组展开紧密合作,详细介绍了这一分子开关的设计与应用。在第一篇文章里,研究人员们描述了LOCKR系统的设计理念;第二篇文章则直接在酵母细胞中对其进行了应用,并发现它不但使用简便,还能有效对天然存在、或是人工引入的基因通路进行调控。

科学家首次造出分子开关,有望自动调节任意细胞功能2

▲在酵母中的调控示意图(图片来源:参考资料[2])

具体来看,LOCKR能够起到“调节基因表达,降解特定蛋白,以及控制蛋白结合与互作”的功能。在第二篇论文的最后,研究人员们还指出,过去的“反馈通路”只能依赖天然存在的调控蛋白,因此所影响的基因通路非常有限,极大限制了它们的应用前景。而LOCKR系统能“即插即用”,能对涉及到转录的“任何”生物学网络进行反馈调控!

“用人工设计的蛋白来控制细胞,使生物学推进到了一个全新的时代,” El-Samad教授说道:“就像集成电路带来了计算机芯片产业的爆发式增长一样,这些功能多样的生物学开关很快就能精准控制活体细胞的行为,并最终影响到我们的健康。”

科学家首次造出分子开关,有望自动调节任意细胞功能3

▲研究人员们制作的LOCKR艺术图,其中黑色部分像一把钥匙,能够打开灰色的笼子,释放出具有生物活性的多肽(图片来源:Ian Haydon, UW Medicine Institute for Protein Design)

本研究的主要作者们在接受采访时举了一个例子——他们认为细胞疗法在近年来扮演了很重要的地位,而这套系统有望对现有的细胞疗法进行改良,为这些细胞带来更好的调控,从而治疗癌症等疾病。

总结来看,这两支科学团队带来的这套系统开辟了一条“编辑细胞功能”的全新天地。未来,我们将不再受限于天然蛋白的局限,而可以尽情探索无限的可能。届时,能够限制这一领域发展的,只有人类的想象力了。

扫码加蝌蚪五线谱微信