合成生物學重大突破! 第一個能調控活細胞的人工蛋白質誕生!

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合成生物學(synthetic biology)於 2000 年初興起,它透過基因編輯或電子電機工程來改造天然生物系統,或創造出自然界不存在的物質,以應用於藥物、疫苗、生物化學品、基改作物和再生燃料等領域。

近日,由加州大學舊金山分校和華盛頓大學醫學研究所組成的蛋白質設計研究團隊創造出第一個完全人工且具有生物功能的蛋白質——LOCKER(Latching, Orthogonal Cage / Key pRotein)的縮寫。它能在活細胞內修改或控制細胞之間複雜的訊息傳遞。相關研究及其應用刊登於二篇《Nature》。

LOCKR 由六個螺旋子組成而形成一個籠子,其中五個螺旋子緊緊地結合在一起,而第六個螺旋結構子結合沒那麼緊密,就像準備被拔出的牙齒或門閂一樣,可以被特定的分子鑰匙取代。當這個分子鑰匙卡入到位時,第六個螺旋結構子救回移動到一邊,然後暴露出能執行特定功能的生物活性肽。

LOCKR 結構圖:“鍵”(黑色)解鎖“籠”(灰色),顯示生物活性肽(黃色)。

圖片來源:https://newsroom.uw.edu/news/designed-switch-allows-unprecedented-control-over-cells

該研究團隊在酵母細胞和培養的人類細胞鐘發現,LOCKR 能編程以修改細胞的基因表現,重新定向細胞流量,降解特定蛋白質,並且控制蛋白質結合交互作用。此外,他們也透過 LOCKR 建立新的生物迴路,其行為類似於自主傳感器。如同因環境溫度而加熱或冷卻的恆溫器,在其達到所需溫度時,能立即關閉。這些迴路能檢測來自細胞內部或外部環境的信號,並透過更改細胞而有所反應。

LOCKR 可望與光遺傳學和 CRISPR 等近期熱門生物技術並駕齊驅,成為合成生物學的下一個領頭羊。LOCKR 的商業用途正在申請專利,但其發明者已將該系統免費提供給學術界人士,任何科學家都可能取得  LOCKR 的藍圖:用於構建蛋白質的胺基酸的 DNA 代碼。生物學家能將 LOCKR 的代碼打印到訂制的 DNA 鏈上並將其插入細胞中。例如,El-Samad 計畫用 LOCKR 迴路編程注射細胞,作為控制創傷後腦發炎的方法。

延伸閱讀:ICG-12基因科技前瞻趨勢 基因編輯與合成生物學

參考資料:
1. Andrew H. Ng et al . Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1425-7.
2. A. Langan et al. Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1432-8.
3. https://www.washingtonpost.com/science/2019/07/24/dawn-designer-proteins-biologists-build-protein-that-turns-cells-off/
4. https://newsroom.uw.edu/news/designed-switch-allows-unprecedented-control-over-cells

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