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

這項(xiàng)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(xiàng)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(xì)胞內(nèi)由蛋白質(zhì)組成的微小處理器可以‘決定’如何對(duì)炎癥、腫瘤生長(zhǎng)標(biāo)志物或血糖水平的特定信號(hào)作出反應(yīng)?！闭撐牡谝蛔髡摺⒚绹?guó)萊斯大學(xué)的研究生楊曉宇說，“這項(xiàng)工作使我們更接近于構(gòu)建能夠檢測(cè)疾病跡象并立即定制治療方案的‘智能細(xì)胞’。”

人工細(xì)胞電路的設(shè)計(jì)依賴于磷酸化——這是一種細(xì)胞對(duì)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(tuán)。磷酸化涉及廣泛的細(xì)胞功能，包括將細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)，例如移動(dòng)、分泌物質(zhì)、對(duì)病原體作出反應(yīng)或表達(dá)基因。

在多細(xì)胞生物中，基于磷酸化的信號(hào)傳導(dǎo)通常涉及多階段的級(jí)聯(lián)效應(yīng)，像多米諾骨牌一樣。之前在人類細(xì)胞中利用這種機(jī)制進(jìn)行治療的嘗試主要集中在重新設(shè)計(jì)天然的信號(hào)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(dāng)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(xì)胞”帶來的創(chuàng)新在未來幾年可能會(huì)有一個(gè)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(gè)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(xì)胞輸入（細(xì)胞在環(huán)境中遇到或感覺到的東西）到輸出（細(xì)胞的反應(yīng)）。研究小組意識(shí)到并著手證明了級(jí)聯(lián)中的每個(gè)循環(huán)都可以被視為一個(gè)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(xì)胞輸入和輸出的新途徑。

“這打開了信號(hào)電路設(shè)計(jì)的空間?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、萊斯大學(xué)助理教授Caleb Bashor說，“我們的策略能夠設(shè)計(jì)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(xì)胞自身的過程并行運(yùn)作，且不會(huì)影響細(xì)胞存活率或生長(zhǎng)速度?！?/p>

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

“我們不奢望我們?cè)O(shè)計(jì)的合成信號(hào)通路，能與人類細(xì)胞中的天然信號(hào)通路以相似的速度和效率運(yùn)行。這需要大量的努力與合作才能實(shí)現(xiàn)?！睏顣杂钫f。

這種新的細(xì)胞電路設(shè)計(jì)的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)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(jì)都是基于不同的分子過程，如轉(zhuǎn)錄，可能需要幾個(gè)小時(shí)才能激活。

相關(guān)論文信息：

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

來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)