Science：成功构建基于蛋白-蛋白相互作用的切换开关，可在几秒钟之内对输入信号作出反应

2021年7月8日讯/生物谷BIOON/---合成生物学提供了一种方法来改造细胞以执行新的功能，比如当它们检测到某种化学物时发出荧光。通常情况下，这是通过改变细胞使其表达可被某种输入触发的基因来实现的。然而，由于细胞转录和翻译必要的基因需要时间，在检测分子等事件和由此产生的输出之间往往有很长的滞后期。

如今，在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院的研究人员开发出一种设计此类合成电路的替代方法，它完全依赖于快速、可逆的蛋白-蛋白相互作用。这意味着不需要等待基因被转录或翻译成蛋白质，因此合成电路可以更快地被打开--在几秒钟之内。相关研究结果发表在2021年7月2日的Science期刊上，论文标题为“An engineered protein-phosphorylation toggle network with implications for endogenous network discovery”。论文通讯作者为麻省理工学院生物工程教授Ron Weiss。

论文第一作者、麻省理工学院生物工程系副研究员Deepak Mishra说，“我们现在有一种方法来设计在非常快的时间尺度下发生的蛋白相互作用，之前没有人能够系统地开发这种方法。我们正在达到能够以几秒或更少的时间尺度设计任何功能的程度。”

这些作者说，这类合成电路可能用于制造环境传感器或诊断系统，以揭示疾病状态或即将发生的事件，如心脏病发作。

蛋白相互作用

在活细胞内，蛋白-蛋白相互作用是许多信号传导途径的重要步骤，包括那些参与免疫细胞激活和对激素或其他信号作出反应的信号传导途径。这些相互作用中有许多涉及一种蛋白通过添加或去除称为磷酸的化学基团来激活或灭活另一种蛋白。

在这项新的研究中，这些作者使用酵母细胞来承载他们的合成电路，并创建了一个由14种蛋白组成的网络，这些蛋白来自包括酵母、细菌、植物和人类在内的物种。他们修改了这些蛋白，使它们能够在网络中相互调节，以产生响应特定事件的信号。

他们的网络是第一个完全由磷酸化/去磷酸化蛋白-蛋白相互作用组成的合成电路，被设计成一种切换开关--一种能够在两个稳定状态之间快速和可逆地切换的电路，使其能够“记住”一个特定的事件，如接触某种化学物。在这种情况下，靶标是山梨醇，即一种在许多水果中发现的糖醇。

一旦山梨醇被检测到，细胞就会以定位于细胞核中的荧光蛋白的形式储存关于这次暴露的记忆。这种记忆也会传递给未来的细胞后代。这种电路也可以通过暴露于不同的分子---在这种情况下，一种叫做异戊烯基腺嘌呤（isopentenyl adenine）的化学物---而被重置。

这些电路网络也可以被编程，以响应输入而执行其他功能。为了证明这一点，这些作者还设计了一个电路，它在检测到山梨醇后关闭了细胞的分裂能力。

通过使用这些细胞的大型阵列，他们可构建超灵敏的传感器，对低至十亿分之一的目标分子浓度做出反应。鉴于快速的蛋白-蛋白相互作用，信号可以在短短一秒钟内被触发。使用传统的合成电路，可能需要几个小时甚至几天才能看到输出。Weiss说，“这种极快速度的转换将对合成生物学的发展和扩大可能的应用类型非常重要。”

复杂网络

这些作者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。一旦他们建立了它，他们想知道是否有任何类似的网络可能存在于活细胞中。利用他们设计的一种计算模型，他们在酵母中发现了六个自然发生的、复杂的切换网络，这在以前是从未见过的。

一种新型的合成生物电路可以在几秒钟内启动，比同类产品快得多。图片来自Massachusetts Institute of Technology。

Weiss说，“我们没想过去寻找这些切换网络，因为它们不是直观的。它们不一定是最佳的或优雅的，但我们确实发现了此类切换开关行为的多个例子。这是一种新的、受工程启发的方法，用于发现生物系统中的调节网络。”

这些作者如今希望利用他们基于蛋白的电路来开发可用于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网络，作为人体的诊断传感器，检测异常的荷尔蒙或血糖水平。从长远来看，Weiss设想设计的电路通过编程进入人体细胞，以报告药物过量或即将发生的心脏病发作。

他说，“在这种情况下，细胞将信息报告给一个电子设备，这个电子设备会向病人或医生发出警报，而这个电子设备也会有一个化学储存库，可以抵消对系统的冲击。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Deepak Mishra et al. An engineered protein-phosphorylation toggle network with implications for endogenous network discovery. Science, 2021, doi:10.1126/science.aav0780.

Boris N. Kholodenko et al. Reengineering protein-phosphorylation switches. Science, 2021, doi:10.1126/science.abj5028.