合成生物学重大突破! 第一个能调控活细胞的人工蛋白质诞生!

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合成生物学(synthetic biology)于 2000 年初兴起,它透过基因编辑或电子电机工程来改造天然生物系统,或创造出自然界不存在的物质,以应用于药物、疫苗、生物化学品、基改作物和再生燃料等领域。

近日,由加州大学旧金山分校和华盛顿大学医学研究所组成的蛋白质设计研究团队创造出第一个完全人工且具有生物功能的蛋白质——LOCKER(Latching, Orthogonal Cage / Key pRotein)的缩写。它能在活细胞内修改或控制细胞之间复杂的讯息传递。相关研究及其应用刊登于二篇《Nature》。

LOCKR 由六个螺旋子组成而形成一个笼子,其中五个螺旋子紧紧地结合在一起,而第六个螺旋结构子结合没那么紧密,就像准备被拔出的牙齿或门闩一样,可以被特定的分子钥匙取代。当这个分子钥匙卡入到位时,第六个螺旋结构子救回移动到一边,然后暴露出能执行特定功能的生物活性肽。

LOCKR 结构图:“键”(黑色)解锁“笼”(灰色),显示生物活性肽(黄色)。

图片来源:https://newsroom.uw.edu/news/designed-switch-allows-unprecedented-control-over-cells

该研究团队在酵母细胞和培养的人类细胞钟发现,LOCKR 能编程以修改细胞的基因表现,重新定向细胞流量,降解特定蛋白质,并且控制蛋白质结合交互作用。此外,他们也透过 LOCKR 建立新的生物回路,其行为类似于自主传感器。如同因环境温度而加热或冷却的恒温器,在其达到所需温度时,能立即关闭。这些回路能检测来自细胞内部或外部环境的信号,并透过更改细胞而有所反应。

LOCKR 可望与光遗传学和 CRISPR 等近期热门生物技术并驾齐驱,成为合成生物学的下一个领头羊。LOCKR 的商业用途正在申请专利,但其发明者已将该系统免费提供给学术界人士,任何科学家都可能取得  LOCKR 的蓝图:用于构建蛋白质的胺基酸的 DNA 代码。生物学家能将 LOCKR 的代码打印到订制的 DNA 链上并将其插入细胞中。例如,El-Samad 计画用 LOCKR 回路编程注射细胞,作为控制创伤后脑发炎的方法。

延伸阅读:ICG-12基因科技前瞻趋势 基因编辑与合成生物学

参考资料:
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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