当地时间 4 月 2 日,华盛顿大学生物化学教授、蛋白质从头设计泰斗 David Baker 所领导的研究团队在《科学》杂志上发表报告称,他们制造出了具有分子逻辑门功能的人造蛋白质。 在这项研究中,研究人员还在无细胞提取物、酵母细胞、T 细胞中对这些逻辑门功能进行了验证,成功实现对人类 T 细胞内基因表达的调控,有望在未来提高癌症细胞治疗 CAR-T 疗法的持久性和安全性。 作为本篇论文的第一作者,陈子博表示,“整个阿波罗 11 号制导计算机都是由电子或非门(NOR)构成的。我们成功地制造了以蛋白质为基础的 NOR 门,虽然它们不像 NASA 的制导计算机那样复杂,但却是从零开始设计复杂生物电路的关键一步。” 无论是电子器件还是生物部件,逻辑门都能以预定的方式感知和响应信号。其中最简单的“与门”,是在一个输入和另一个输入同时存在时才产生输出。例如,在键盘上键入时,按下 Shift 键和 a 键将产生大写字母 A。 由生物部件制成的逻辑门,旨在将这种控制过程引入生物工程系统。在活细胞内运作恰当的逻辑门程序,比如当满足两种不同分子的存在——或者一种存在而不是另一种存在时——可以使细胞产生特定的输出,例如激活或抑制一个基因。 众所周知,蛋白质是组成人体一切细胞、组织的重要成分,也是一切生命系统的物质基础,密切参与着从触发免疫反应到大脑思考的每一个生理过程。如果把基因比作构成生命的 0 和 1,那么蛋白质就是构成生命的程序代码。 在繁杂的细胞信号通路和行为决策过程中,蛋白质与蛋白质的相互作用至关重要,因此,控制蛋白质与蛋白质的相互作用,一直是设计生物电路的核心挑战。 不过,以往创造生物逻辑电路的努力,往往集中在 DNA、转录或 RNA 水平的控制上。虽然近年来通过重连天然信号通路,已经诞生了以蛋白质为基础的生物电路,然而由于这些方法可依赖的组件有限,这也限制了该生物电路的模块化和可扩展性。 含有蛋白质“和门”的细胞概念图,这些逻辑门被设计用来检测多种信号,当信号满足条件时细胞会发出荧光 陈子博等人报告的逻辑门系统设计,利用了蛋白质从头设计的优势。所谓蛋白质从头设计,就是依赖于蛋白质结构的测定和分子模型的建立,按照蛋白质结构与功能的关系,综合运用各学科的技术手段,人工设计比天然蛋白质性能更优越的新型蛋白质。 David Bake “我们现在可以从头开始创造蛋白质,从而实现我们想要的。”David Baker 博士曾说道。 基于蛋白质的多种逻辑门电路 而且这种基于蛋白质的生物电路,和计算机电路一样具有模块化、可扩展性、可组合性等优点。研究人员认为,控制元件的模块化和协同性,再加上从头设计无限数量蛋白质成分的能力,也使得在广泛的生物功能上设计复杂的蛋白质翻译后控制逻辑成为可能。 电路中的“和门”与蛋白质“和门” 此外,研究人员通过设计的蛋白质逻辑门电路,成功调节细胞中控制T细胞衰竭相关基因表达的蛋白质。 细胞编程时代 我们当前所使用的计算机,都是用芯片等材料组装的物理机器。近些年来,随着基因技术和分子生物学的发展,生物工程师们企图通过细胞编程,让细胞变成有一台台“活”的计算机,并诞生了一个全新领域——合成生物学。
被改造或者被创造的这些生物,也被寄托于执行各种有益于人类健康的任务,比如进入血液循环以探查和破坏肿瘤,消灭温室气体等。 毫不夸张地说,合成生物学是生物科学理论研究的重要突破,使人类能够以“上帝视角”去了解生物的进化历程和结构机理。 而合成生物学在系统生物学的基础上,结合工程学理念,采用基因合成、编辑、网络调控等新技术,来改变已有的生命体,甚至创造新的生命体,这将使人类对生命本质的认识发生质的改变,因此,合成生物学也被称为第三次生物科技革命。 正如陈子博所说,“科学家的使命是让世界变得更好(make it a better world)。”从人工设计蛋白质,到用这些蛋白质来设计细胞功能,以实现编程生命,陈子博等人正在创造出以前不曾有过的、可以造福人类的全新技术。而且陈子博认为,从头设计蛋白可以实现很多方面的应用,只是现在还被我们的想象力所限制。 参考资料: https://science./content/368/6486/78 https://www./technology/meet-the-biochemist-engineering-proteins-from-scratch |
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