科學(xué)家們?yōu)楹铣缮飳W(xué)打造了一種基于蛋白質(zhì)的帶通濾波器

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家們精心設(shè)計了一種模仿電子帶通濾波器的生物系統(tǒng)，這是一種新型傳感器，可以徹底改變合成生物學(xué)中的自我調(diào)節(jié)生物機制。

合成生物學(xué)有望將生物系統(tǒng)增強和修改為無數(shù)新技術(shù)，造福社會。這種生物學(xué)工程方法已經(jīng)在藥物輸送、農(nóng)業(yè)和能源生產(chǎn)領(lǐng)域取得了成效。

在《自然化學(xué)生物學(xué)》雜志上發(fā)表的一篇論文中，EPFL工程學(xué)院蛋白質(zhì)設(shè)計和免疫工程實驗室(LPDI)的研究人員在設(shè)計更具性能的生物系統(tǒng)方面邁出了重要一步。

通過觀察細(xì)胞中復(fù)雜的自我調(diào)節(jié)行為并從電氣工程中汲取靈感，他們使用修飾的蛋白質(zhì)作為硬件設(shè)計了一種復(fù)雜的生物開關(guān)。

LPDI的目標(biāo)是開發(fā)模仿甚至超越大自然數(shù)百萬年進化所提供的生物功能。“我們在蛋白質(zhì)設(shè)計方面使用了多種方法，更具體地說是計算蛋白質(zhì)設(shè)計，以便設(shè)計新的分子硬件，”LPDI負(fù)責(zé)人兼該論文的高級作者BrunoCorreia說。這種新的生物硬件——以工程蛋白質(zhì)的形式——可以被放置在活細(xì)胞中，并對工程師可以密切控制的刺激做出反應(yīng)。

該實驗室的方法首先是觀察細(xì)胞如何發(fā)揮作用，然后模仿或調(diào)整這些功能以用于其他用途。大自然最擅長的事情之一就是自我調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)細(xì)胞需要更多離子時，它會激活允許離子流入細(xì)胞的機制。一旦細(xì)胞的需求得到滿足并且達(dá)到了稱為穩(wěn)態(tài)的某種平衡，它就可以關(guān)閉離子流。

這種生物機制在概念上可以比作電子產(chǎn)品中帶通濾波器的選擇性性質(zhì)。帶通濾波器根據(jù)特定的頻率范圍區(qū)分信號，只允許指定頻段內(nèi)的信號通過，而電池則根據(jù)其當(dāng)前的需要選擇性地允許離子進入或退出。

盡管這種比較是一種簡化，但由于生物過程是由復(fù)雜的生化反饋而不是二進制信號控制的，因此它同樣實現(xiàn)了選擇性滲透——類似于帶通濾波器如何選擇性地允許某些頻率而排除其他頻率。

目前合成生物學(xué)的一個局限性是，到目前為止，還沒有任何設(shè)計能夠提供這種類型的功能——要么全有，要么全無，只有“開”或“關(guān)”。想想青霉素的輸送。由于沒有基于生物傳感器的藥物劑量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，糖尿病患者需要持續(xù)監(jiān)測胰島素水平。

SailanShui在LPDI的工作重點是這些類型的生物傳感器和開關(guān)，它們可以極大地改善藥物輸送和其他生物系統(tǒng)。Correia解釋道：“Shui對開/關(guān)范例并不滿意，決定設(shè)計一種能夠響應(yīng)細(xì)胞內(nèi)部和外部環(huán)境變化的開關(guān)。因此，她從帶通濾波器的功能中獲得靈感，并設(shè)計了其生物等效物。”

為了在生物系統(tǒng)中創(chuàng)造這種新功能，該團隊設(shè)計了蛋白質(zhì)并將其插入活細(xì)胞中。在生物學(xué)中，功能源于形式。Correia和Shui觀察了折疊蛋白的結(jié)構(gòu)及其對細(xì)胞內(nèi)自我調(diào)節(jié)功能的影響。然后，他們創(chuàng)建了計算模型，可以根據(jù)這些觀察結(jié)果充當(dāng)帶通濾波器。

一旦使用計算機模擬驗證了數(shù)字設(shè)計，他們就開始通過操縱DNA和氨基酸配置來構(gòu)建蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。最后，他們在細(xì)胞培養(yǎng)物中測試了該設(shè)計。結(jié)果是決定性的。他們本著開放研究的精神與研究界分享他們的設(shè)計，很可能會被世界各地的研究人員以尚未預(yù)見的方式使用。

作為合成生物學(xué)中的假設(shè)應(yīng)用，研究人員可以創(chuàng)建一個與電子帶通濾波器類似的系統(tǒng)，根據(jù)血糖水平調(diào)節(jié)胰島素輸送。工程蛋白質(zhì)將充當(dāng)傳感器，檢測高血糖并觸發(fā)胰島素釋放，直到水平恢復(fù)正常。

這將使胰島素劑量自動化，有可能改善糖尿病管理并減少頻繁監(jiān)測的需要。這樣的系統(tǒng)將代表合成生物學(xué)在治療應(yīng)用方面的重大進步。

這項基礎(chǔ)研究對于開發(fā)未來合成生物學(xué)的工具、構(gòu)建模塊和硬件至關(guān)重要。“我們有明確的方法論，但也擁抱科學(xué)的偶然性。我實驗室的科學(xué)家利奧·謝勒(LeoScheller)有遠(yuǎn)見地理解了這項工作的重要性。這是團隊的努力，”科雷亞說。這一團隊的努力使該領(lǐng)域向設(shè)計更好的藥物輸送技術(shù)、更高效的生物反應(yīng)器，甚至全新形式的生物實體又邁進了重要一步。

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