细胞电路开关划开生命的灵魂

莱斯大学的科学家们开发了一种合成蛋白开关来控制细胞内的电子流。

　　

这是一个概念验证，合成生物学家Joff Silberg的实验室让细胞在引入一种化学物质后，表达一种含金属的蛋白质，再被另一种化学物质在功能上激活。如此，当这些蛋白质被放入细胞，它们就可被简单地打开和关闭。

“这里的‘开关’并非隐喻，而是由蛋白质构成的‘真’电开关，”Silberg说。研究发表在Nature Chemical Biology。“

这些蛋白质可以促进下一代生物电子学，例如，模仿电路组成完工细胞的生物电路。它可能的应用包括，活体传感器、化学合成代谢途径的电子控制器、以及仅在有需要时才释放药物的活性药丸。

生物学真的很擅长传感分子。想想细胞是多么复杂，蛋白质到底如何进化的，才能在信息的海洋里响应一个特定信号。我们希望利用蛋白的精细控制能力构建更精细的生物分子，并利用这些分子开发有用的合成生物技术，Silberg说。

莱斯大学团队利用蛋白的天然属性。“天然蛋白质在细胞里或多或少充当着电线的作用，”系统、合成以及物理生物学研究生、文章一作Josh Atkinson说。“如果我们能打开和关闭这些通路，我们就能使细胞更有效地运作。”

这种含铁的蛋白质开关反应速度很快，Silberg说。“转录本，即使在快速生长的大肠杆菌中，也需要等几分钟，相比之下，蛋白质开关是以秒为单位起作用的。”

为了制备这种开关，研究人员需要一种稳定的蛋白质，沿着其肽骨架可靠地分裂，以允许插入使电路完整或破坏的蛋白质片段。因此，他们从一种普通的铁硫蛋白，铁氧化还原蛋白（ferredoxin）开始，这种蛋白能够介导所有生命的电子转移。

Atkinson将开关嵌入大肠杆菌，在名为4-羟基他莫昔芬（4-hydroxytamoxifen）雌激素受体调节剂的诱导下闭合电路（开），或在没有4-羟基他莫昔芬的情况下断路（关），或者利用合成塑料的双酚A（bisphenol A，BPA）替代4-羟基他莫昔芬。

他们所使用的大肠杆菌是一株突变菌株，该菌株只在硫酸盐培养基中生长，需要铁氧还原蛋白电子传递链的所有组成成分，包括电子供体和受体蛋白。只有这样，当开关打开并按计划传输电子时，细菌才能生长。

Silberg说，这一成果可以为许多设备量身定做开关，这就是为什么我们一直对生物电子学这个概念如此热衷。随着合成生物学对设计的掌控力越来越强，整个领域正在兴起。“一旦你能标准化这些，我们就能用各种各样的单元格建造你能想到的任何东西。”

可能包括：智能药片，按时按量自发释放药物；肠道生物检测器，随时汇报黑暗的肠道发生了哪些情况；一个细胞尺寸的完整电子电路……

“电容器和电阻器的许多工作都可以映射到新陈代谢上，直到现在，主要问题是没有开关，”Silberg说。

原文检索：Metalloprotein switches that display chemical-dependent electron transfer in cells

（生物通：伍松）