本報訊科學家針對生物磷酸化過程開發出一套新工具，用於在人體細胞中定制感知和響應電路。
這項1月2日發表於《科學》的研究，代表了合成生物學領域的一項重大突破，有望改變自身免疫性疾病和癌症等複雜疾病的治療方法。
“想像一下，細胞內由蛋白質組成的微小處理器可以‘决定’如何對炎症、腫瘤生長標誌物或血糖水准的特定訊號作出反應。”論文第一作者、美國萊斯大學的研究生楊曉宇說，“這項工作使我們更接近於構建能够檢測疾病迹象並立即定制治療方案的‘智慧細胞’。”
人工細胞電路的設計依賴於磷酸化——這是一種細胞對環境作出反應的自然過程，特徵是向蛋白質中添加磷酸基團。磷酸化涉及廣泛的細胞功能，包括將細胞外訊號轉化為細胞內反應，例如移動、分泌物質、對病原體作出反應或表達基因。
在多細胞生物中，基於磷酸化的信號傳導通常涉及多階段的級聯效應，像多米諾骨牌一樣。之前在人類細胞中利用這種機制進行治療的嘗試主要集中在重新設計天然的訊號通路上。然而，這些途徑的複雜性使其難以使用，囙此效果相當有限。
得益於萊斯大學研究人員的新發現，基於磷酸化的“智慧細胞”帶來的創新在未來幾年可能會有一個顯著突破。而促成這一突破的是視角的轉變。
磷酸化是一個連續的過程，由一系列相互關聯的迴圈展開，即從細胞輸入（細胞在環境中遇到或感覺到的東西）到輸出（細胞的反應）。研究小組意識到並著手證明了級聯中的每個迴圈都可以被視為一個基本單元，而這些單元可以按新的管道連接在一起，構建連接細胞輸入和輸出的新途徑。
“這打開了訊號電路設計的空間。”論文通訊作者、萊斯大學助理教授Caleb Bashor說，“我們的策略能够設計出合成磷酸化回路，這些回路不僅具有高度可調性，而且可與細胞自身的過程並行運作，且不會影響細胞存活率或生長速度。”
這雖然聽起來很簡單，但要弄清楚如何構建、連接和調整這些單元，包括細胞內和細胞外輸出的設計絕非易事。
“我們不奢望我們設計的合成訊號通路，能與人類細胞中的天然訊號通路以相似的速度和效率運行。這需要大量的努力與合作才能實現。”楊曉宇說。
這種新的細胞電路設計的一個明顯優勢是，磷酸化在幾秒鐘或幾分鐘內就能迅速發生。而以前的許多合成電路設計都是基於不同的分子過程，如轉錄，可能需要幾個小時才能啟動。