Science：麻省理工设计出第一个完全依赖蛋白质相互作用的合成生物学电路

麻省理工学院的研究人员设计了第一个完全依赖蛋白质相互作用的合成生物学电路。这些电路可以在几秒钟内启动，比其他合成生物学电路快得多。

　　

合成生物学提供了一种让细胞执行新功能的方法，比如当它们检测到某种化学物质时发出荧光。通常情况下，这是通过改变细胞来实现的，这样它们就能表达由特定输入触发的基因。

然而，由于细胞转录和翻译必需的基因需要时间，在检测到分子和产生输出之间往往有很长的滞后时间。麻省理工学院的合成生物学家现在已经开发出一种设计这种电路的替代方法，它完全依赖于快速、可逆的蛋白质-蛋白质相互作用。这意味着无需等待基因转录或翻译成蛋白质，因此电路可以在几秒钟内快速启动。

“我们现在有了一种设计蛋白质相互作用的方法，这种方法在非常短的时间内发生，还没有人能够系统地开发。我们正接近能够在几秒钟或更少的时间跨度内设计任何功能的阶段，”麻省理工学院生物工程系的研究助理、新研究的主要作者迪帕克·米什拉说。

研究人员说，这种电路可以用于制造环境传感器或诊断，以揭示疾病状态或即将发生的事件，如心脏病发作。

Ron Weiss是生物工程、电子工程和计算机科学的教授，他是这项研究的资深作者，该研究发表在今天的《科学》杂志上。其他作者包括前麻省理工博士后特里斯坦·比普勒;麻省理工学院(MIT)计算机科学与人工智能实验室(Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory)计算与生物学小组负责人、西蒙斯数学教授邦妮·伯杰(Bonnie Berger);威斯康星大学(University of Wisconsin)助理教授布莱恩·蒂格(Brian Teague);以及宾夕法尼亚州立大学好时医学中心生物化学和分子生物学系主任吉姆·布罗赫。

蛋白质相互作用

在活细胞内，蛋白质-蛋白质相互作用是许多信号通路的必要步骤，包括参与免疫细胞激活和对激素或其他信号的反应。许多这种相互作用涉及一种蛋白质通过添加或去除叫做磷酸盐的化学基团来激活或灭活另一种蛋白质。

在这项研究中，研究人员使用酵母细胞来承载他们的回路，并创建了一个由14种蛋白质组成的网络，这些蛋白质来自酵母、细菌、植物和人类。研究人员对这些蛋白质进行了修饰，使它们能够在网络中相互调节，以产生对特定事件的反应信号。

他们的网络,第一个合成电路完全由磷酸化/脱磷酸化蛋白质相互作用,被设计为一个拨动开关,电路能够快速、可逆两个稳定状态之间的切换,允许它“记住”等特定事件暴露于某种化学物质。在这种情况下，目标是山梨醇，一种在许多水果中发现的糖醇。

一旦检测到山梨糖醇，细胞就会以定位于细胞核的荧光蛋白的形式存储暴露的记忆。这种记忆也会传递给未来的细胞。电路也可以通过将其暴露于另一种分子来重置，在这种情况下，是一种叫做异戊烯腺嘌呤的化学物质。

还可以对这些网络进行编程，使其在响应输入时执行其他功能。为了证明这一点，研究人员还设计了一个电路，可以在检测到山梨醇后关闭细胞的分裂能力。

通过使用这些细胞的大型阵列，研究人员可以制造出超灵敏的传感器，能够对低至十亿分之一的目标分子浓度做出反应。由于快速的蛋白质相互作用，信号可以在一秒钟内被触发。传统的合成电路可能需要数小时甚至数天才能看到输出结果。

韦斯说:“这种向极快速度的转变将对合成生物学的发展和扩展可能的应用类型非常重要。”

复杂网络

研究人员在这项研究中设计的切换网络比以前设计的大多数合成电路更大更复杂。一旦他们建立了这种网络，研究人员想知道在活细胞中是否存在类似的网络。利用他们设计的一个计算模型，他们在酵母中发现了6个以前从未见过的自然发生的复杂的开关网络。

“我们不会去寻找这些，因为它们不是凭直觉。它们不一定是最佳的或优雅的，但我们确实发现了很多这样的切换行为的例子，”Weiss说。“这是一种新的、受工程启发的方法来发现生物系统中的调节网络。”

研究人员现在希望利用他们的蛋白质电路来开发可以用来检测环境污染物的传感器。另一个潜在的应用是在哺乳动物细胞内部署定制的蛋白质网络，它可以作为人体内的诊断传感器，检测异常的激素或血糖水平。从长远来看，韦斯设想设计出一种电路，可以在人体细胞中编程，报告药物过量或即将发作的心脏病。

他说:“你可能会遇到这样一种情况，细胞将信息报告给一个电子设备，从而提醒病人或医生，而电子设备也可能含有化学物质，可以抵消对系统的冲击。”

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