真“碳基電路”：用蛋白質(zhì)邏輯門把細(xì)胞變成計(jì)算機(jī)，華人青年學(xué)者研究登Science

曉查 2020-04-03 14:04:19 來源：量子位

邊策 魚羊 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

硅基生命遙不可及，但碳基電路已經(jīng)來了，而且是有生命的。

原來，蛋白質(zhì)也能也能造出計(jì)算機(jī)的基本單元，和硅基電路一樣，這種“蛋白質(zhì)電路”可以組合設(shè)計(jì)出各種負(fù)責(zé)邏輯電路。

從此，我們可以像控制電路開關(guān)一樣控制蛋白質(zhì)參與的生命過程。

來自華盛頓大學(xué)的研究小組，用人造蛋白質(zhì)從零開始制造分子邏輯門，實(shí)現(xiàn)了雙輸入、三輸入的與門、或門、與非門、或非門、異或門等等。

這項(xiàng)研究登上了最新一期的Science。

在硅電路里，高電平表示1，低電平表示0。被巧妙設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)，就像一串串01信號(hào)，通過一組不同的組合實(shí)現(xiàn)特定的功能。

他們的最終目的卻不是造出一臺(tái)蛋白質(zhì)計(jì)算機(jī)，而是用邏輯門去調(diào)節(jié)人T細(xì)胞內(nèi)的基因表達(dá)，讓基因改造后的T細(xì)胞更長壽，提高癌癥細(xì)胞療法的安全性和耐用性。

論文作者表示，新的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度已經(jīng)接近真實(shí)蛋白質(zhì)集合體。

（這項(xiàng)研究），是對(duì)復(fù)雜的生物電路進(jìn)行編程的關(guān)鍵一步。

并且，據(jù)一作陳子博透露，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)著手研究，能否用該方法組成多級(jí)電路。

用邏輯門控制生物功能

蛋白質(zhì)電路的基本輸入是由CIPHR（協(xié)同誘導(dǎo)蛋白質(zhì)異二聚體）來控制。

所謂CIPHR就是兩種不同蛋白質(zhì)的聚合體，每種蛋白質(zhì)都對(duì)應(yīng)一個(gè)特定位置的輸入。不同的組合相當(dāng)于電路不同位置的1。

CIPHR的邏輯門具有可移植性，這也意味著我們可以用邏輯門去控制不同的生物功能。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員設(shè)計(jì)了四對(duì)異二聚體模塊，構(gòu)建了兩種不同控制功能的邏輯門。一種用于分離熒光素酶的催化活性，另一種用于在原始人體T細(xì)胞中的基因表達(dá)。

在控制熒光素酶的系統(tǒng)中，他們將一種蛋白質(zhì)鑲嵌在對(duì)應(yīng)的納米位點(diǎn)上，通過體外翻譯和監(jiān)測發(fā)光來測試邏輯門是否開啟。

而控制人體免疫T細(xì)胞基因表達(dá)的邏輯門交給了分離的TALE-KRAB抑制系統(tǒng)。

如果使用異二聚體，只要進(jìn)入（1）就會(huì)產(chǎn)生抑制（0），相當(dāng)于非門。

如果使用蛋白質(zhì)單體，只要有任意一種蛋白質(zhì)進(jìn)入（1），就會(huì)破壞原來TALE-KRAB的結(jié)合，取消抑制（1），從而實(shí)現(xiàn)了或門的功能。

非門和或門使用來控制人體T細(xì)胞中TIM3蛋白的表達(dá)，通過流動(dòng)式細(xì)胞光度進(jìn)行檢測。

以上只是兩個(gè)輸入的情形，如果將輸入增加到3路也是類似。但是用到了更多二聚體，邏輯門的內(nèi)部也用到的更多中的蛋白質(zhì)。

對(duì)于3路的與門，共用到4對(duì)蛋白質(zhì)，邏輯門內(nèi)有1和2’。只有1’-4’、4-3’、3’-2同時(shí)輸入，形成1:1’-4’:4-3’:3’-2:1，才能將邏輯門激活。

3輸入的或門原理也類似。

雖然用蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)邏輯門早已有之，但異二聚體模塊是全新的技術(shù)，利用了從頭蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

通過重新設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)模塊，可以產(chǎn)生更多具有幾乎相同整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的邏輯門組件。

對(duì)蛋白質(zhì)氫鍵網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特異性編碼，使得具有相似結(jié)構(gòu)的單體之間具有廣泛的結(jié)合親和力，這反過來允許構(gòu)建基于競爭性結(jié)合的更復(fù)雜的門。

因?yàn)檫壿嬮T的設(shè)計(jì)成分是超穩(wěn)定的蛋白質(zhì)，不需要額外的細(xì)胞機(jī)械結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)邏輯門不管在細(xì)胞內(nèi)，還是在細(xì)胞外，都可以工作。

文章的第一作者陳子博說：“我們已經(jīng)用無細(xì)胞提取物、酵母細(xì)胞和T細(xì)胞中的純化成分證明了其功能?！?/p>

如何設(shè)計(jì)？

那么，這樣的“碳基電路”具體是怎么設(shè)計(jì)的？

原則上，可以使用一組異二聚體分子從頭設(shè)計(jì)各種邏輯門。

舉個(gè)例子，給定異二聚體對(duì) A 和 A’，B 和 B’，C 和 C’。通過遺傳融合 A’ 和 B，以及 B’ 和 C，可以構(gòu)建調(diào)節(jié) A 和 C’ 的關(guān)聯(lián)關(guān)系的與門。

其中涉及到的條件是：

首先，應(yīng)該有許多相互正交的異二聚體對(duì)，這樣門的復(fù)雜度就不會(huì)受到單個(gè)元素?cái)?shù)量的限制。

第二，構(gòu)件應(yīng)該是模塊化的，并且在結(jié)構(gòu)上應(yīng)相似。

第三，單個(gè)構(gòu)件應(yīng)該具有同多個(gè)不同的、親和力可調(diào)節(jié)的伙伴結(jié)合的能力，以使輸入能通過破壞預(yù)先存在的低親和力相互作用，來執(zhí)行取反操作。

第四，相互作用應(yīng)該是協(xié)同（cooperative）的，這樣，門激活對(duì)輸入中化學(xué)計(jì)量的失衡就不敏感。

具體到這項(xiàng)研究中，為了滿足條件 1，研究人員采用具有氫鍵網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo)特異性、相互正交設(shè)計(jì)的異二聚體集合，來進(jìn)行邏輯門構(gòu)建。

異二聚體接口共享相同的 4 個(gè)螺旋束拓?fù)?，以滿足條件 2。

共享的交互接口限制了異二聚體對(duì)之間的串?dāng)_數(shù)量，這樣一來，綁定親和力的層次結(jié)構(gòu)能滿足條件 3。

最后，通過構(gòu)建單體融合體（上面例子中提到的 A’ 和 B，B’ 和 C）來滿足條件 4。

以下，將 A + A’-B + B’ 這樣的系統(tǒng)稱為誘導(dǎo)二聚化，A 和 B’ 稱為單體，A’-B 稱為二聚體。

誘導(dǎo)二聚化系統(tǒng)（6個(gè)殘基接頭）的示意圖如下。

實(shí)驗(yàn)中，二聚體顯示出了協(xié)同結(jié)合。

于是，使用nMS，研究人員探討了由 2 個(gè)二聚體 1’-3 和 3-2’ ，以及單體 1 和 2 作為輸入，構(gòu)成的雙輸入與門（AND）的協(xié)作性。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員僅觀察到非常少量的異三聚體和異二聚體，進(jìn)一步證明該方法具有高協(xié)同性。

研究人員還構(gòu)造了一個(gè) 1’-4’，4-3’，3-2’ 的三輸入與門，結(jié)果與量輸入與門相似，完整的五聚體復(fù)合物的豐度僅在大于輸入化學(xué)計(jì)量濃度的濃度下略有下降。

在此基礎(chǔ)上，研究人員構(gòu)建了多種基于 2-輸入和 3-輸入的 CIPHR 邏輯門。

具體方法是，各個(gè)DHD的單體通過遺傳融合與目標(biāo)效應(yīng)蛋白相連，從而使輸入（連接的異二聚體亞基）控制效應(yīng)蛋白的共定位或解離。

通過設(shè)計(jì)的蛋白對(duì)之間的同源結(jié)合，和涉及多特異性相互作用的競爭性結(jié)合，來構(gòu)建邏輯門。

給免疫細(xì)胞延壽

現(xiàn)在，我們可以用和計(jì)算機(jī)相同的運(yùn)行方式在分子水平上控制生命，這對(duì)未來藥物和合成生物學(xué)具有重要意義。

而華盛頓大學(xué)的研究小組已經(jīng)開始了下一步的研究，準(zhǔn)備將這項(xiàng)技術(shù)用在治療癌癥上。

用于治療癌癥CAR-T細(xì)胞療法靶向療法現(xiàn)在有很多困難，科學(xué)家認(rèn)為是與T細(xì)胞衰竭有關(guān)。

所謂CAR-T細(xì)胞是嵌合抗原受體T細(xì)胞，嵌合抗原受體則是一種經(jīng)生物工程改造的蛋白。科學(xué)家線從人體提取出T細(xì)胞，用基因技術(shù)改造讓它專門瞄準(zhǔn)癌細(xì)胞表面抗原，然后輸入回患者體內(nèi)。

但是轉(zhuǎn)基因的T細(xì)胞只能存活較短的時(shí)間，華盛頓大學(xué)的研究小組希望，使用衰減信號(hào)響應(yīng)的蛋白質(zhì)邏輯門可以延長CAR-T細(xì)胞的活性。

陳子博說，用編程方法為每個(gè)患者制造長壽的T細(xì)胞，意味著將有更有效的個(gè)性化藥物誕生。

關(guān)于作者

陳子博今年29歲，是加州理工學(xué)院Elowitz實(shí)驗(yàn)室的博士后，現(xiàn)在的研究方向是用蛋白質(zhì)從零開始構(gòu)建邏輯電路。

他本科畢業(yè)于新加坡國立大學(xué)生命科學(xué)專業(yè)，2019年在華盛頓大學(xué)獲得博士學(xué)位。去年還曾入選麻省理工科技評(píng)論35歲以下35人。

通訊作者David Baker，華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)教授、蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)研究所所長。

值得一提的是，David Baker還是蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)游戲Foldit的作者之一，F(xiàn)oldit設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)多次被科研工作者引用，現(xiàn)在還被用來設(shè)計(jì)抗擊新冠病毒。

論文地址：

https://science.sciencemag.org/content/368/6486/78