科學(xué)家們發(fā)明了旨在控制細胞內(nèi)部運作的工具---合成蛋白。與改編自大自然的生物技術(shù)工具不同的是，這種合成蛋白完全是由人類構(gòu)想出來的，并且是在實驗室中從頭開始制造的少數(shù)蛋白之一。在兩項新的研究中，研究人員展示了這種工具如何被用來調(diào)整基因表達，協(xié)調(diào)蛋白結(jié)合事件，以及根據(jù)環(huán)境變化提示細胞中發(fā)生的功能變化。相關(guān)研究結(jié)果于2019年7月24日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Modular and tunable biological feedback control using a de novo protein switch”和“De novo design of bioactive protein switches”。
作為這兩篇論文的共同作者，Bobby Langan說道，“細胞接受刺激信號，隨后必須弄清楚針對此該做些什么。比如，它們使用自然系統(tǒng)來調(diào)節(jié)基因表達或降解蛋白。”這種新設(shè)計的工具稱為LOCKR（Latching, Orthogonal Cage/Key pRotein），通過在這些內(nèi)置系統(tǒng)的回路中引入生物活性肽來操縱它們。這些活性肽僅當(dāng)被特定的分子“鑰匙（keys）”釋放出來時才會暴露出來。
LOCKR由六個螺旋結(jié)構(gòu)組成，這六個螺旋結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合而形成一個籠子。其中的一個螺旋結(jié)構(gòu)比其他的螺旋結(jié)構(gòu)更加松散地結(jié)合，并且可以被特定的分子—即前面提及的分子鑰匙---取代。當(dāng)這個分子鑰匙卡入到位時，這個更加松散結(jié)合的螺旋結(jié)構(gòu)移動到一邊，從而暴露出經(jīng)定制后執(zhí)行特定功能的生物活性肽。
在這兩項示范性研究中，這些研究人員使用LOCKR來觸發(fā)細胞死亡，降解特定蛋白，并指導(dǎo)物質(zhì)穿過活的細胞。單個LOCKR蛋白也可經(jīng)連接后形成回路，即細胞中能夠?qū)?nèi)部和外部刺激信號作出反應(yīng)而發(fā)生變化的系統(tǒng)。
這些研究人員首先在酵母中測試了他們的工具，隨后成功地設(shè)計出一種在實驗室培養(yǎng)的人細胞中發(fā)揮作用的LOCKR修飾版本。
美國波士頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師Ahmad Khalil（未參與這兩項研究）表示，“這表示著從頭設(shè)計蛋白的曙光。”從頭到尾由人類設(shè)計的新蛋白，可能比用途發(fā)生改變的天然蛋白更具優(yōu)勢。
雖然天然存在的蛋白可以發(fā)揮多種功能并且通過不同的機制起作用，但是構(gòu)建出的合成蛋白僅做一件事。LOCKR是有史以來發(fā)明的首批從頭合成的蛋白之一，它僅能作為分子開關(guān)發(fā)揮功能。
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