合成生物學提供了一種方法來改造細胞以執(zhí)行新的功能，比如當它們檢測到某種化學物時發(fā)出熒光。通常情況下，這是通過改變細胞使其表達可被某種輸入觸發(fā)的基因來實現(xiàn)的。然而，由于細胞轉(zhuǎn)錄和翻譯必要的基因需要時間，在檢測分子等事件和由此產(chǎn)生的輸出之間往往有很長的滯后期。
如今，在一項新的研究中，來自美國麻省理工學院的研究人員開發(fā)出一種設(shè)計此類合成電路的替代方法，它完全依賴于快速、可逆的蛋白-蛋白相互作用。這意味著不需要等待基因被轉(zhuǎn)錄或翻譯成蛋白質(zhì)，因此合成電路可以更快地被打開--在幾秒鐘之內(nèi)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2021年7月2日的Science期刊上，論文標題為“An engineered protein-phosphorylation toggle network with implications for endogenous network discovery”。論文通訊作者為麻省理工學院生物工程教授Ron Weiss。
論文第一作者、麻省理工學院生物工程系副研究員Deepak Mishra說，“我們現(xiàn)在有一種方法來設(shè)計在非常快的時間尺度下發(fā)生的蛋白相互作用，之前沒有人能夠系統(tǒng)地開發(fā)這種方法。我們正在達到能夠以幾秒或更少的時間尺度設(shè)計任何功能的程度。”這些作者說，這類合成電路可能用于制造環(huán)境傳感器或診斷系統(tǒng)，以揭示疾病狀態(tài)或即將發(fā)生的事件，如心臟病發(fā)作。
蛋白相互作用
在活細胞內(nèi)，蛋白-蛋白相互作用是許多信號傳導(dǎo)途徑的重要步驟，包括那些參與免疫細胞激活和對激素或其他信號作出反應(yīng)的信號傳導(dǎo)途徑。這些相互作用中有許多涉及一種蛋白通過添加或去除稱為磷酸的化學基團來激活或滅活另一種蛋白。
在這項新的研究中，這些作者使用酵母細胞來承載他們的合成電路，并創(chuàng)建了一個由14種蛋白組成的網(wǎng)絡(luò)，這些蛋白來自包括酵母、細菌、植物和人類在內(nèi)的物種。他們修改了這些蛋白，使它們能夠在網(wǎng)絡(luò)中相互調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生響應(yīng)特定事件的信號。
他們的網(wǎng)絡(luò)是第一個完全由磷酸化/去磷酸化蛋白-蛋白相互作用組成的合成電路，被設(shè)計成一種切換開關(guān)--一種能夠在兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間快速和可逆地切換的電路，使其能夠“記住”一個特定的事件，如接觸某種化學物。在這種情況下，靶標是山梨醇，即一種在許多水果中發(fā)現(xiàn)的糖醇。
一旦山梨醇被檢測到，細胞就會以定位于細胞核中的熒光蛋白的形式儲存關(guān)于這次暴露的記憶。這種記憶也會傳遞給未來的細胞后代。這種電路也可以通過暴露于不同的分子---在這種情況下，一種叫做異戊烯基腺嘌呤（isopentenyl adenine）的化學物---而被重置。
這些電路網(wǎng)絡(luò)也可以被編程，以響應(yīng)輸入而執(zhí)行其他功能。為了證明這一點，這些作者還設(shè)計了一個電路，它在檢測到山梨醇后關(guān)閉了細胞的分裂能力。
通過使用這些細胞的大型陣列，他們可構(gòu)建超靈敏的傳感器，對低至十億分之一的目標分子濃度做出反應(yīng)。鑒于快速的蛋白-蛋白相互作用，信號可以在短短一秒鐘內(nèi)被觸發(fā)。使用傳統(tǒng)的合成電路，可能需要幾個小時甚至幾天才能看到輸出。Weiss說，“這種極快速度的轉(zhuǎn)換將對合成生物學的發(fā)展和擴大可能的應(yīng)用類型非常重要。”
復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)
這些作者在這項研究中設(shè)計的切換網(wǎng)絡(luò)比以前設(shè)計的大多數(shù)合成電路更大、更復(fù)雜。一旦他們建立了它，他們想知道是否有任何類似的網(wǎng)絡(luò)可能存在于活細胞中。利用他們設(shè)計的一種計算模型，他們在酵母中發(fā)現(xiàn)了六個自然發(fā)生的、復(fù)雜的切換網(wǎng)絡(luò)，這在以前是從未見過的。
一種新型的合成生物電路可以在幾秒鐘內(nèi)啟動，比同類產(chǎn)品快得多。圖片來自Massachusetts Institute of Technology。
Weiss說，“我們沒想過去尋找這些切換網(wǎng)絡(luò)，因為它們不是直觀的。它們不一定是最佳的或優(yōu)雅的，但我們確實發(fā)現(xiàn)了此類切換開關(guān)行為的多個例子。這是一種新的、受工程啟發(fā)的方法，用于發(fā)現(xiàn)生物系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。”
這些作者如今希望利用他們基于蛋白的電路來開發(fā)可用于檢測環(huán)境污染物的傳感器。另一個潛在的應(yīng)用是在哺乳動物細胞內(nèi)部署定制的蛋白網(wǎng)絡(luò)，作為人體的診斷傳感器，檢測異常的荷爾蒙或血糖水平。從長遠來看，Weiss設(shè)想設(shè)計的電路通過編程進入人體細胞，以報告藥物過量或即將發(fā)生的心臟病發(fā)作。
他說，“在這種情況下，細胞將信息報告給一個電子設(shè)備，這個電子設(shè)備會向病人或醫(yī)生發(fā)出警報，而這個電子設(shè)備也會有一個化學儲存庫，可以抵消對系統(tǒng)的沖擊。”（生物谷 Bioon.com）
參考資料：
Deepak Mishra et al. An engineered protein-phosphorylation toggle network with implications for endogenous network discovery. Science, 2021, doi:10.1126/science.aav0780.
Boris N. Kholodenko et al. Reengineering protein-phosphorylation switches. Science, 2021, doi:10.1126/science.abj5028.
來源：生物谷
