科學(xué)家們發(fā)明了第一個(gè)完全人造的蛋白質(zhì)開關(guān)，它可在活細(xì)胞內(nèi)工作，從而改變甚至征用細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的電路。該開關(guān)被稱為LOCKR。
 
7月24日發(fā)表在Nature雜志上的相關(guān)論文描述了LOCKR的設(shè)計(jì)，并演示了該技術(shù)的幾種實(shí)際應(yīng)用。這項(xiàng)工作是由華盛頓大學(xué)（UW）蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)醫(yī)學(xué)研究所的David Baker和舊金山分校的Hana El Samad率領(lǐng)的生物工程團(tuán)隊(duì)完成的。

科學(xué)家們表明，LOCKR可被“編程”來改變基因表達(dá)，重新定向細(xì)胞運(yùn)輸，降解特定的蛋白質(zhì)，并控制蛋白質(zhì)結(jié)合的相互作用。研究人員還利用LOCKR構(gòu)建了新的生物電路，其工作原理類似于自主傳感器。這些電路檢測(cè)來自細(xì)胞內(nèi)部或外部環(huán)境的信號(hào)，并通過改變細(xì)胞作出反應(yīng)。這類似于恒溫器感應(yīng)環(huán)境溫度的方式，一旦達(dá)到所需的溫度，就會(huì)引導(dǎo)加熱或冷卻系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。

一旦被細(xì)胞組裝起來，新開關(guān)最長的一側(cè)僅8納米。這句話這么長，需要超過一億左右的蛋白來覆蓋。

“利用設(shè)計(jì)蛋白控制細(xì)胞的能力開創(chuàng)了生物學(xué)的新ji元，”該文章的共同通訊作者，加州大學(xué)舊金山分校的生物化學(xué)和生物物理學(xué)教授El-Samad說。“就像集成電路促進(jìn)了計(jì)算機(jī)芯片產(chǎn)業(yè)的爆炸一樣，這些多功能和動(dòng)態(tài)的生物開關(guān)很快就可以解鎖對(duì)活細(xì)胞行為的精確控制，最終，控制我們的健康。”

LOCKR在自然界沒有相對(duì)應(yīng)的存在，它與生物技術(shù)領(lǐng)域的每一個(gè)工具都是不同的，包括最近的技術(shù)，如光遺傳學(xué)和CRISPR。這些技術(shù)的前身屬于自然，然后被重新加工用于實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)或醫(yī)學(xué)，但LOCKR是第一批完全由人類構(gòu)想和建造的生物技術(shù)工具之一。

該文章的第一作者包括UW蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)醫(yī)學(xué)研究所的Bobby Langan和Scott Boyken，以及參與加州大學(xué)伯克利分校-加州大學(xué)舊金山分校生物工程研究生項(xiàng)目的Andrew Ng。

“每個(gè)細(xì)胞都在對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)，”Langan說。“細(xì)胞接受刺激，然后必須想辦法解決它。例如，它們利用細(xì)胞系統(tǒng)調(diào)節(jié)基因表達(dá)或降解蛋白質(zhì)。”

Langan和他的同事們開始創(chuàng)造一種新的方式來與這些細(xì)胞系統(tǒng)進(jìn)行交流互作。他們通過蛋白設(shè)計(jì)來創(chuàng)造自組裝蛋白，這種自組裝蛋白只在添加特定的分子“鑰匙”后才呈現(xiàn)生物活性。

在酵母中安裝LOCKR，研究小組證明基因工程真菌可以在研究人員設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)降解特定的細(xì)胞蛋白。通過重新設(shè)計(jì)開關(guān)，他們也在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的人類細(xì)胞中證明了同樣的效果。

為了保持健康，細(xì)胞必須嚴(yán)格控制其生化過程。僅僅一個(gè)基因的異常活動(dòng)或錯(cuò)誤蛋白質(zhì)的積累會(huì)破壞細(xì)胞的平衡。這可能導(dǎo)致細(xì)胞死亡甚至癌癥。LOCKR為科學(xué)家們提供了一種與活細(xì)胞相互作用的新方法。因此，它可以為癌癥、自身免疫性疾病等多種疾病提供新的療法。

“LOCKR為編程細(xì)胞開辟了一個(gè)全新的可能領(lǐng)域，”Ng說。“我們現(xiàn)在更多地是受到想象力和創(chuàng)造力的限制，而不是大自然所能進(jìn)化出的蛋白限制。”