有人說(shuō)，大自然是我們的老師。經(jīng)過(guò)數十億年的演化，地球上的生命早已為我們提供了大量寶貴的資源。輔以人類(lèi)的智慧，科學(xué)家們也將其中不少有趣的現象改造成了突破性的科研工具，近年來(lái)大放異彩的CRISPR基因編輯技術(shù)與光遺傳學(xué)便是其中的佼佼案例。
然而，今日背靠背發(fā)表在最新一期《自然》雜志上的兩篇論文，昭示著(zhù)人類(lèi)已經(jīng)從“大自然”這里成功出師，開(kāi)辟出了一片嶄新的天地——科學(xué)家們成功設計出了一種由蛋白質(zhì)組成的分子開(kāi)關(guān)，可用于調節任意的細胞功能。值得一提的是，這些蛋白設計并沒(méi)有大自然的原型可以參考，而是完完全全出自人類(lèi)自己的智慧！
“這是首批完全由人類(lèi)構想并創(chuàng )造的生物技術(shù)工具。”介紹這兩篇論文的官方新聞稿中這樣說(shuō)道。
這一具有里程碑意義的工具縮寫(xiě)是LOCKR，它是一類(lèi)由人工設計的蛋白質(zhì)，能在細胞中根據熱力學(xué)條件的不同，發(fā)生構象變化，從而釋放出具有生物活性的多肽，控制多種多樣的細胞功能。這聽(tīng)起來(lái)有些復雜，運作的機理卻并不復雜——同樣是在官方的新聞稿中，這一類(lèi)蛋白質(zhì)被比作是空調的“調溫器”。如果感知到房間里的溫度太高，它就會(huì )發(fā)出信號，開(kāi)啟制冷功能。如果溫度太低，它就會(huì )暫停制冷。
不同的是，這些人工設計的分子開(kāi)關(guān)所監測的不是房間里的溫度，而是細胞內各種各樣的反應信號！
在這兩篇《自然》論文中，人工設計蛋白領(lǐng)域的“大神”David Baker教授與合成生物學(xué)專(zhuān)家Hana El-Samad教授的課題組展開(kāi)緊密合作，詳細介紹了這一分子開(kāi)關(guān)的設計與應用。在第一篇文章里，研究人員們描述了LOCKR系統的設計理念；第二篇文章則直接在酵母細胞中對其進(jìn)行了應用，并發(fā)現它不但使用簡(jiǎn)便，還能有效對天然存在、或是人工引入的基因通路進(jìn)行調控。
具體來(lái)看，LOCKR能夠起到“調節基因表達，降解特定蛋白，以及控制蛋白結合與互作”的功能。在第二篇論文的最后，研究人員們還指出，過(guò)去的“反饋通路”只能依賴(lài)天然存在的調控蛋白，因此所影響的基因通路非常有限，極大限制了它們的應用前景。而LOCKR系統能“即插即用”，能對涉及到轉錄的“任何”生物學(xué)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行反饋調控！
“用人工設計的蛋白來(lái)控制細胞，使生物學(xué)推進(jìn)到了一個(gè)全新的時(shí)代，” El-Samad教授說(shuō)道：“就像集成電路帶來(lái)了計算機芯片產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長(cháng)一樣，這些功能多樣的生物學(xué)開(kāi)關(guān)很快就能精準控制活體細胞的行為，并最終影響到我們的健康。”
本研究的主要作者們在接受采訪(fǎng)時(shí)舉了一個(gè)例子——他們認為細胞療法在近年來(lái)扮演了很重要的地位，而這套系統有望對現有的細胞療法進(jìn)行改良，為這些細胞帶來(lái)更好的調控，從而治療癌癥等疾病。
總結來(lái)看，這兩支科學(xué)團隊帶來(lái)的這套系統開(kāi)辟了一條“編輯細胞功能”的全新天地。未來(lái)，我們將不再受限于天然蛋白的局限，而可以盡情探索無(wú)限的可能。屆時(shí)，能夠限制這一領(lǐng)域發(fā)展的，只有人類(lèi)的想象力了。
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