科學(xué)家針對生物磷酸化過程開發(fā)出一套新工具，用于在人體細胞中定制感知和響應(yīng)電路。

這項1月2日發(fā)表于《科學(xué)》的研究，代表了合成生物學(xué)領(lǐng)域的一項重大突破，有望改變自身免疫性疾病和癌癥等復(fù)雜疾病的治療方法。

“想象一下，細胞內(nèi)由蛋白質(zhì)組成的微小處理器可以‘決定’如何對炎癥、腫瘤生長標志物或血糖水平的特定信號作出反應(yīng)。”論文第一作者、美國萊斯大學(xué)的研究生楊曉宇說，“這項工作使我們更接近于構(gòu)建能夠檢測疾病跡象并立即定制治療方案的‘智能細胞’?！?/p>

人工細胞電路的設(shè)計依賴于磷酸化——這是一種細胞對環(huán)境作出反應(yīng)的自然過程，特征是向蛋白質(zhì)中添加磷酸基團。磷酸化涉及廣泛的細胞功能，包括將細胞外信號轉(zhuǎn)化為細胞內(nèi)反應(yīng)，例如移動、分泌物質(zhì)、對病原體作出反應(yīng)或表達基因。

在多細胞生物中，基于磷酸化的信號傳導(dǎo)通常涉及多階段的級聯(lián)效應(yīng)，像多米諾骨牌一樣。之前在人類細胞中利用這種機制進行治療的嘗試主要集中在重新設(shè)計天然的信號通路上。然而，這些途徑的復(fù)雜性使其難以使用，因此效果相當有限。

得益于萊斯大學(xué)研究人員的新發(fā)現(xiàn)，基于磷酸化的“智能細胞”帶來的創(chuàng)新在未來幾年可能會有一個顯著突破。而促成這一突破的是視角的轉(zhuǎn)變。

磷酸化是一個連續(xù)的過程，由一系列相互關(guān)聯(lián)的循環(huán)展開，即從細胞輸入（細胞在環(huán)境中遇到或感覺到的東西）到輸出（細胞的反應(yīng)）。研究小組意識到并著手證明了級聯(lián)中的每個循環(huán)都可以被視為一個基本單元，而這些單元可以按新的方式連接在一起，構(gòu)建連接細胞輸入和輸出的新途徑。

“這打開了信號電路設(shè)計的空間?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺⑷R斯大學(xué)助理教授Caleb Bashor說，“我們的策略能夠設(shè)計出合成磷酸化回路，這些回路不僅具有高度可調(diào)性，而且可與細胞自身的過程并行運作，且不會影響細胞存活率或生長速度?！?/p>

這雖然聽起來很簡單，但要弄清楚如何構(gòu)建、連接和調(diào)整這些單元，包括細胞內(nèi)和細胞外輸出的設(shè)計絕非易事。

“我們不奢望我們設(shè)計的合成信號通路，能與人類細胞中的天然信號通路以相似的速度和效率運行。這需要大量的努力與合作才能實現(xiàn)?！睏顣杂钫f。

這種新的細胞電路設(shè)計的一個明顯優(yōu)勢是，磷酸化在幾秒鐘或幾分鐘內(nèi)就能迅速發(fā)生。而以前的許多合成電路設(shè)計都是基于不同的分子過程，如轉(zhuǎn)錄，可能需要幾個小時才能激活。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adm8485

來源：中國科學(xué)報