洛桑聯(lián)邦理工學院的科學家們精心設計了一種模仿電子帶通濾波器的生物系統(tǒng)，這是一種新型傳感器，可以徹底改變合成生物學中的自我調(diào)節(jié)生物機制。
合成生物學有望將生物系統(tǒng)增強和修改為無數(shù)新技術，造福社會。這種生物學工程方法已經(jīng)在藥物輸送、農(nóng)業(yè)和能源生產(chǎn)領域取得了成效。
在《自然化學生物學》雜志上發(fā)表的一篇論文中，EPFL工程學院蛋白質(zhì)設計和免疫工程實驗室(LPDI)的研究人員在設計更具性能的生物系統(tǒng)方面邁出了重要一步。
通過觀察細胞中復雜的自我調(diào)節(jié)行為并從電氣工程中汲取靈感，他們使用修飾的蛋白質(zhì)作為硬件設計了一種復雜的生物開關。
LPDI的目標是開發(fā)模仿甚至超越大自然數(shù)百萬年進化所提供的生物功能。“我們在蛋白質(zhì)設計方面使用了多種方法，更具體地說是計算蛋白質(zhì)設計，以便設計新的分子硬件，”LPDI負責人兼該論文的高級作者BrunoCorreia說。這種新的生物硬件——以工程蛋白質(zhì)的形式——可以被放置在活細胞中，并對工程師可以密切控制的刺激做出反應。
該實驗室的方法首先是觀察細胞如何發(fā)揮作用，然后模仿或調(diào)整這些功能以用于其他用途。大自然最擅長的事情之一就是自我調(diào)節(jié)。例如，當細胞需要更多離子時，它會激活允許離子流入細胞的機制。一旦細胞的需求得到滿足并且達到了稱為穩(wěn)態(tài)的某種平衡，它就可以關閉離子流。
這種生物機制在概念上可以比作電子產(chǎn)品中帶通濾波器的選擇性性質(zhì)。帶通濾波器根據(jù)特定的頻率范圍區(qū)分信號，只允許指定頻段內(nèi)的信號通過，而電池則根據(jù)其當前的需要選擇性地允許離子進入或退出。
盡管這種比較是一種簡化，但由于生物過程是由復雜的生化反饋而不是二進制信號控制的，因此它同樣實現(xiàn)了選擇性滲透——類似于帶通濾波器如何選擇性地允許某些頻率而排除其他頻率。
目前合成生物學的一個局限性是，到目前為止，還沒有任何設計能夠提供這種類型的功能——要么全有，要么全無，只有“開”或“關”。想想青霉素的輸送。由于沒有基于生物傳感器的藥物劑量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，糖尿病患者需要持續(xù)監(jiān)測胰島素水平。
SailanShui在LPDI的工作重點是這些類型的生物傳感器和開關，它們可以極大地改善藥物輸送和其他生物系統(tǒng)。Correia解釋道：“Shui對開/關范例并不滿意，決定設計一種能夠響應細胞內(nèi)部和外部環(huán)境變化的開關。因此，她從帶通濾波器的功能中獲得靈感，并設計了其生物等效物。”
為了在生物系統(tǒng)中創(chuàng)造這種新功能，該團隊設計了蛋白質(zhì)并將其插入活細胞中。在生物學中，功能源于形式。Correia和Shui觀察了折疊蛋白的結構及其對細胞內(nèi)自我調(diào)節(jié)功能的影響。然后，他們創(chuàng)建了計算模型，可以根據(jù)這些觀察結果充當帶通濾波器。
一旦使用計算機模擬驗證了數(shù)字設計，他們就開始通過操縱DNA和氨基酸配置來構建蛋白質(zhì)結構。最后，他們在細胞培養(yǎng)物中測試了該設計。結果是決定性的。他們本著開放研究的精神與研究界分享他們的設計，很可能會被世界各地的研究人員以尚未預見的方式使用。
作為合成生物學中的假設應用，研究人員可以創(chuàng)建一個與電子帶通濾波器類似的系統(tǒng)，根據(jù)血糖水平調(diào)節(jié)胰島素輸送。工程蛋白質(zhì)將充當傳感器，檢測高血糖并觸發(fā)胰島素釋放，直到水平恢復正常。
這將使胰島素劑量自動化，有可能改善糖尿病管理并減少頻繁監(jiān)測的需要。這樣的系統(tǒng)將代表合成生物學在治療應用方面的重大進步。
這項基礎研究對于開發(fā)未來合成生物學的工具、構建模塊和硬件至關重要。“我們有明確的方法論，但也擁抱科學的偶然性。我實驗室的科學家利奧·謝勒(LeoScheller)有遠見地理解了這項工作的重要性。這是團隊的努力，”科雷亞說。這一團隊的努力使該領域向設計更好的藥物輸送技術、更高效的生物反應器，甚至全新形式的生物實體又邁進了重要一步。
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