合成生物学提供了一种设计细胞以执行新功能的方法，例如当它们检测到某种化学物质时会发出荧光。通常，这是通过改变细胞来实现的，以便它们表达可由特定输入触发的基因。
然而，由于细胞转录和翻译必要基因需要时间，因此在检测分子和产生的输出之间通常存在很长的滞后时间。麻省理工学院合成生物学家现在已经开发出一种替代方法来设计此类电路，该方法完全依赖于快速、可逆的蛋白质-蛋白质相互作用。这意味着无需等待基因被转录或翻译成蛋白质，因此可以更快地开启电路——在几秒钟内。
“我们现在有一种方法可以设计在非常快的时间尺度上发生的蛋白质相互作用，没有人能够系统地开发这种方法。我们已经能够在几秒钟或更短的时间尺度内设计任何功能，”麻省理工学院生物工程系的研究助理、这项新研究的主要作者迪帕克·米什拉 (Deepak Mishra) 说。
研究人员说，这种电路可用于创建环境传感器或诊断，以揭示疾病状态或即将发生的事件，如心脏病发作。
生物工程、电气工程和计算机科学教授 Ron Weiss 是该研究的资深作者，该研究今天发表在《科学》杂志上。其他作者包括前麻省理工学院博士后 Tristan Bepler;Bonnie Berger，麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室的西蒙斯数学教授兼计算与生物学组负责人;威斯康星大学助理教授布赖恩·蒂格;宾夕法尼亚州立大学好时医学中心生物化学和分子生物学系主任 Jim Broach。
蛋白质相互作用
在活细胞内，蛋白质-蛋白质相互作用是许多信号通路中必不可少的步骤，包括参与免疫细胞激活和对激素或其他信号的反应的通路。许多这些相互作用涉及通过添加或去除称为磷酸盐的化学基团来激活或失活另一种蛋白质。
在这项研究中，研究人员使用酵母细胞来承载他们的电路，并创建了一个由来自酵母、细菌、植物和人类等物种的 14 种蛋白质组成的网络。研究人员修改了这些蛋白质，以便它们可以在网络中相互调节，以产生响应特定事件的信号。
他们的网络是第一个仅由磷酸化/去磷酸化蛋白质-蛋白质相互作用组成的合成电路，它被设计为一个拨动开关——一种可以在两种稳定状态之间快速可逆地切换的电路，使其能够“记住”特定事件，例如如接触某种化学品。在这种情况下，目标是山梨糖醇，一种在许多水果中发现的糖醇。
一旦检测到山梨糖醇，细胞就会以位于细胞核中的荧光蛋白的形式存储暴露的记忆。这种记忆也会传递给未来的细胞世代。电路也可以通过将其暴露于不同的分子来重置，在这种情况下，是一种称为异戊烯基腺嘌呤的化学物质。
这些网络也可以被编程为响应输入来执行其他功能。为了证明这一点，研究人员还设计了一个电路，可以在检测到山梨糖醇后关闭细胞的分裂能力。
通过使用这些细胞的大阵列，研究人员可以创建超灵敏传感器，对低至十亿分之一的目标分子浓度做出响应。由于蛋白质间的快速相互作用，信号可以在短短一秒内触发。使用传统的合成电路，可能需要数小时甚至数天才能看到输出。
“转向极快的速度对于合成生物学的发展和扩展可能的应用类型非常重要，”Weiss 说。
复杂的网络
研究人员在本研究中设计的切换网络比之前设计的大多数合成电路更大、更复杂。一旦他们建立了它，研究人员就想知道活细胞中是否可能存在任何类似的网络。使用他们设计的计算模型，他们在酵母中发现了六个以前从未见过的自然发生的复杂切换网络。
“我们不会考虑去寻找那些，因为它们不直观。它们不一定是最佳的或优雅的，但我们确实发现了这种拨动开关行为的多个例子，”韦斯说。“这是一种新的、受工程启发的方法来发现生物系统中的调节网络。”
研究人员现在希望使用他们基于蛋白质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质网络，这些网络可以作为人体内的诊断传感器来检测异常的激素或血糖水平。从长远来看，Weiss 设想设计可以编程到人体细胞中的电路，以报告药物过量或即将发生的心脏病。
“你可能会遇到这样一种情况，即细胞将这些信息报告给一个电子设备，该设备会提醒病人或医生，而电子设备也可能含有化学物质，可以抵消对系统的冲击，”他说。
该研究由 Siebel 学者奖、Eni-MIT 能源研究奖学金、美国国家科学基金会研究生研究奖学金计划、美国陆军研究办公室的协作生物技术研究所、美国国家科学基金会的 SynBERC 资助以及美国国立卫生研究院综合合成生物学中心。
