《Science》「開關」調控細胞不必「轉譯」! MIT合成蛋白質電路 最快1秒反應

撰文記者 巫芝岳
日期2021-07-08
《Science》「開關」調控細胞不必「轉譯」! MIT合成蛋白質電路 最快1秒反應 (圖片來源:網路)

近(2)日,美國麻省理工學院(MIT)的生物工程團隊,發表了一項以合成生物學構建的「蛋白質開關」,有別於以往人為操控細胞訊號傳遞時,可能費時數小時才能見效,該項僅以蛋白質磷酸化(phosphorylation)元件構成的網絡,最快1秒內就能對外界刺激做出反應,未來在藥物、療法應用上大有潛力。此研究論文刊登於頂尖期刊《Science》。

由生物工程學教授Ron Weiss領導的團隊,運用電學迴路的概念,設計出基於合成生物學的「細胞電路」。以往操控細胞訊號傳遞時,多需仰賴要費時幾分鐘到幾小時的轉錄(transcrition)、轉譯(translation)調控,但Weiss團隊的新方法,僅以可逆的蛋白質磷酸化作用,就能創建出幾秒內可產生訊號反應的技術。

研究團隊也成功在酵母菌中,建立出這套由11個「磷酸輸入」和「磷酸輸出」訊號轉導元件構成的網絡,其組成包括:外源的嵌合融合蛋白(chimeric fusion proteins),及來自絲裂原活化蛋白激酶路徑(MAPK pathway)的內源蛋白。

該網絡能在幾秒鐘內,靈敏地對細胞外微弱的訊號輸入產生反應,並長期表現「雙穩態」(bistable)。(編按:生物體內許多生化訊號傳遞,是使用可逆的蛋白質修飾、交互作用進行,而「雙穩態」指的是能在兩種不同的穩定狀態間切換的能力,包括細胞週期、免疫系統的活化與記憶等都與之相關。)

這項蛋白質訊號網絡,讓酵母菌暴露在山梨醇(sorbitol)環境時,會表現螢光蛋白,或是會停止細胞分裂,且其對山梨醇的反應記憶還能夠遺傳給後代。

此外,研究人員又進一步開發出一項電腦運算架構(computational framework),可搜尋細胞中有哪些類似於其「蛋白質開關」、可表現雙穩態的內源系統(endogenous systems);最後他們在酵母菌中,以此發現了5項學界未曾發表的蛋白質交互作用網絡。

目前,要以合成生物學操控細胞,大多仍仰賴對細胞進行基因改造等方式,使其轉譯出目標蛋白質來作用,此方法也已在許多臨床療法中被應用。然而,等待基因轉錄出蛋白質作用仍需要一段時間,因此許多科學家極力想提升這項「改變細胞訊號」作用的速度。

Weiss表示,他們的研究有望大幅提高操控細胞的效率,未來有機會應用於檢測藥物過量、體內激素濃度異常、血糖異常等生理跡象,其團隊也希望以該技術,開發出更優良的疾病診斷工具。

參考資料:

1. 論文原文:https://science.sciencemag.org/content/373/6550/eaav0780

2. https://www.fiercebiotech.com/research/mit-team-employs-synthetic-biology-to-create-circuits-could-detect-signs-disease

(編譯/巫芝岳)

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