有人說，大自然是我們最好的老師。經(jīng)過數(shù)十億年的演化，地球上的生命早已為我們提供了大量寶貴的資源。輔以人類的智慧，科學(xué)家們也將其中不少有趣的現(xiàn)象改造成了突破性的科研工具，近年來大放異彩的CRISPR基因編輯技術(shù)與光遺傳學(xué)便是其中的佼佼案例。

然而，今日背靠背發(fā)表在最新一期《自然》雜志上的兩篇論文，昭示著人類已經(jīng)從“大自然”這里成功出師，開辟出了一片嶄新的天地——科學(xué)家們成功設(shè)計(jì)出了一種由蛋白質(zhì)組成的分子開關(guān)，可用于調(diào)節(jié)任意的細(xì)胞功能。值得一提的是，這些蛋白設(shè)計(jì)并沒有大自然的原型可以參考，而是完完全全出自人類自己的智慧!

“這是首批完全由人類構(gòu)想并創(chuàng)造的生物技術(shù)工具。”介紹這兩篇論文的官方新聞稿中這樣說道。

▲LOCKR系統(tǒng)的簡單圖示(圖片來源：參考資料[1])

這一具有里程碑意義的工具縮寫是LOCKR，它是一類由人工設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)，能在細(xì)胞中根據(jù)熱力學(xué)條件的不同，發(fā)生構(gòu)象變化，從而釋放出具有生物活性的多肽，控制多種多樣的細(xì)胞功能。這聽起來有些復(fù)雜，運(yùn)作的機(jī)理卻并不復(fù)雜——同樣是在官方的新聞稿中，這一類蛋白質(zhì)被比作是空調(diào)的“調(diào)溫器”。如果感知到房間里的溫度太高，它就會發(fā)出信號，開啟制冷功能。如果溫度太低，它就會暫停制冷。

不同的是，這些人工設(shè)計(jì)的分子開關(guān)所監(jiān)測的不是房間里的溫度，而是細(xì)胞內(nèi)各種各樣的反應(yīng)信號!

在這兩篇《自然》論文中，人工設(shè)計(jì)蛋白領(lǐng)域的“大神”David Baker教授與合成生物學(xué)專家Hana El-Samad教授的課題組展開緊密合作，詳細(xì)介紹了這一分子開關(guān)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。在第一篇文章里，研究人員們描述了LOCKR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念;第二篇文章則直接在酵母細(xì)胞中對其進(jìn)行了應(yīng)用，并發(fā)現(xiàn)它不但使用簡便，還能有效對天然存在、或是人工引入的基因通路進(jìn)行調(diào)控。

▲在酵母中的調(diào)控示意圖(圖片來源：參考資料[2])

具體來看，LOCKR能夠起到“調(diào)節(jié)基因表達(dá)，降解特定蛋白，以及控制蛋白結(jié)合與互作”的功能。在第二篇論文的最后，研究人員們還指出，過去的“反饋通路”只能依賴天然存在的調(diào)控蛋白，因此所影響的基因通路非常有限，極大限制了它們的應(yīng)用前景。而LOCKR系統(tǒng)能“即插即用”，能對涉及到轉(zhuǎn)錄的“任何”生物學(xué)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反饋調(diào)控!

“用人工設(shè)計(jì)的蛋白來控制細(xì)胞，使生物學(xué)推進(jìn)到了一個(gè)全新的時(shí)代，” El-Samad教授說道：“就像集成電路帶來了計(jì)算機(jī)芯片產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長一樣，這些功能多樣的生物學(xué)開關(guān)很快就能精準(zhǔn)控制活體細(xì)胞的行為，并最終影響到我們的健康。”

▲研究人員們制作的LOCKR藝術(shù)圖，其中黑色部分像一把鑰匙，能夠打開灰色的籠子，釋放出具有生物活性的多肽(圖片來源：Ian Haydon， UW Medicine Institute for Protein Design)

本研究的主要作者們在接受采訪時(shí)舉了一個(gè)例子——他們認(rèn)為細(xì)胞療法在近年來扮演了很重要的地位，而這套系統(tǒng)有望對現(xiàn)有的細(xì)胞療法進(jìn)行改良，為這些細(xì)胞帶來更好的調(diào)控，從而治療癌癥等疾病。

總結(jié)來看，這兩支科學(xué)團(tuán)隊(duì)帶來的這套系統(tǒng)開辟了一條“編輯細(xì)胞功能”的全新天地。未來，我們將不再受限于天然蛋白的局限，而可以盡情探索無限的可能。屆時(shí)，能夠限制這一領(lǐng)域發(fā)展的，只有人類的想象力了。