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让细胞变“智能”!这种人造蛋白质比电路开关还灵活

2019-09-10 点击:1110
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医学上一直有问题。

许多治疗方法只有在正确的时间和非常精确的剂量下才是安全有效的。如果用药太早或太迟,如果剂量太大或太小,药物可能无效甚至有害。

但在许多情况下,医生无法知道何时配药或配药多少。

现在,一群工程师设计了一种神奇的方法来解决这个问题。

他们包括旧金山加利福尼亚大学的Hana El Samad博士和华盛顿大学的David Baker博士。他们设计了一个“智能”细胞,它的行为就像一个微型自主机器人,将来它们可能被用来检测伤害和疾病,并帮助确定合适的用药时间和剂量。

令人惊讶的是,这可以在没有任何直接人工干预的情况下实现,这要归功于一种首次在计算机上设计并在实验室合成的人工蛋白质,这种蛋白质可用于在活细胞中构建新的生物电路。<<> >

这些电路将普通电池转换成具有非凡能力的智能电池。

在7月24日出版的《自然》(Nature)杂志上发表了两篇新论文,描述了这种新的蛋白质,官方称之为晶格正交笼蛋白(Lockr)。

它不像生物学家或自然本身设计的任何东西。

“尽管生物技术工具库中的许多工具使用在实验室中重复使用的天然存在的分子,但洛克尔在自然界中没有相应的分子,”旧金山加利福尼亚大学(UCSF)的生物化学和生物学。物理学教授、这项新研究的合著者ElSamad说。

“LOCKR是一种完全由人类从头到尾构思和建造的生物技术。这为蛋白质与其他细胞成分的相互作用方式提供了前所未有的控制,并使我们能够开始解决以前不可能的生物学中未解决的问题。解决的问题对医药和工业具有重要意义。“

在它的结构中,LOCKR就像一个桶。当它打开时,它揭示了一个分子臂,可以设计用于控制几乎所有的细胞过程。

在这两篇新论文的第一篇中,研究人员将分子臂描述为能够指导细胞内分子运输,降解特定蛋白质和引发细胞自我毁灭的武器。

但LOCKR的分子臂最初并没有出现,除非它被“钥匙”打开。

正如这种蛋白质的名称所暗示的那样,LOCKR在被分子“关键”(由科学家设计的蛋白质完全匹配LOCKR)打开之前就被关闭了。

当LOCKR处于“开”或“关”状态时,控制它的能力意味着它的行为很像电开关。

虽然开关看起来简单而且原始,但高度紧凑的开关是任何现代电子产品的重要组成部分,包括为计算机,iPhone和所有其他智能设备供电的复杂集成电路。

LOCKR是一种类似开关的蛋白质,科学家最终可以在细胞中构建类似的生物电路。

“就像导致计算机芯片行业爆炸的集成电路一样,这些多功能,动态的生物开关可能很快就会对活细胞行为进行精确控制,最终影响医疗保健行业。”El-Samad说他也是Chan Zuckerberg Biohub的研究员。

在这两篇论文的第二部分中,研究人员描述了该技术在电路构造中的潜力。

使用一种名为degronLOCKR的工具,他们构建了一个电路,可根据细胞内外的提示动态调节细胞活动。

当包含基因编码传感器的电路检测到正常细胞活动的破坏时,degronLOCKR响应破坏细胞“软件”,即蛋白质,直到细胞恢复正常。

该过程使人联想到恒温器如何连续感测环境温度并指示HVAC系统关闭或打开以保持所需温度。

然而,使用degronLOCKR在细胞中构建这样一种新的生物电路不仅仅是生物工程起居室的一招。

这两项研究的共同第一作者Andrew Ng博士最近在El-Samad实验室完成了他的博士研究,他认为这实际上是无限的。

“LOCKR,更确切地说,是degronLOCKR,为细胞编程开辟了一系列全新的可能性,可填补各种缺失区域。目前还没有安全有效的治疗方法。” Ng说,他通过了加州大学伯克利分校 - 加利福尼亚大学旧金山生物工程研究生课程与El-Samad的合作。

“有了这些技术,我们只能受到想象力的限制。”

为此,El-Samad,Ng及其合作者正在建立基于degronLOCKR的智能细胞,它可以治疗多种疾病,包括创伤性脑损伤(TBI),这也是医学问题之一。

当大脑受到创伤时,身体会产生强烈的炎症反应。

虽然炎症是身体愈合过程的重要组成部分,但在创伤性脑损伤中,炎症水平可能远远超过必要的水平,甚至健康水平。在许多TBI病例中,炎症达到危险水平,对大脑造成永久性损害。

尽管医生可以使用药物来控制这种情况,但它们通常会引起炎症反应的急剧下降,从而阻止大脑的正常愈合。

在创伤性脑损伤的情况下,身体自身防御或现代医学是否控制“恰到好处”水平的炎症反应不是太高,也不是太低,但足以最大化而不会造成永久性损伤。愈合到极限。

这是degronLOCKR可以提供帮助的地方。

研究人员相信,通过安装基于degronLOCKR的电路,他们很快就能将自己的细胞转换成智能细胞。 degronLOCKR电路旨在感知炎症并调节免疫系统的活动。

希望当这些工程细胞返回患者时,它们可以控制狭窄治疗区域的炎症。

但TBI不是科学家用这种技术解决的唯一问题。

El-Samad认为,智能细胞有朝一日可用于治疗目前无法治愈的各种疾病,从对最新药物和细胞疗法无反应的癌症,到目前尚无治疗的自身免疫性疾病。

El-Samad说:“通过使用degronLOCKR和类似的分子,我们将能够构建越来越复杂的电路,这很可能带来新一代智能,精确和强大的活细胞疗法。”

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