邊策 魚羊 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
硅基生命遙不可及，但碳基電路已經來了，而且是有生命的。
原來，蛋白質也能也能造出計算機的基本單元，和硅基電路一樣，這種“蛋白質電路”可以組合設計出各種負責邏輯電路。
從此，我們可以像控制電路開關一樣控制蛋白質參與的生命過程。
來自華盛頓大學的研究小組，用人造蛋白質從零開始製造分子邏輯門，實現了雙輸入、三輸入的與門、或門、與非門、或非門、異或門等等。
這項研究登上了最新一期的Science。
在硅電路里，高電平表示1，低電平表示0。被巧妙設計的蛋白質，就像一串串01信號，通過一組不同的組合實現特定的功能。
他們的最終目的卻不是造出一臺蛋白質計算機，而是用邏輯門去調節人T細胞內的基因表達，讓基因改造後的T細胞更長壽，提高癌症細胞療法的安全性和耐用性。
論文作者表示，新的蛋白質設計的複雜度已經接近真實蛋白質集合體。
（這項研究），是對複雜的生物電路進行編程的關鍵一步。
並且，據一作陳子博透露，團隊已經著手研究，能否用該方法組成多級電路。
用邏輯門控制生物功能
蛋白質電路的基本輸入是由CIPHR（協同誘導蛋白質異二聚體）來控制。
所謂CIPHR就是兩種不同蛋白質的聚合體，每種蛋白質都對應一個特定位置的輸入。不同的組合相當於電路不同位置的1。
CIPHR的邏輯門具有可移植性，這也意味著我們可以用邏輯門去控制不同的生物功能。
在實驗中，研究人員設計了四對異二聚體模塊，構建了兩種不同控制功能的邏輯門。一種用於分離熒光素酶的催化活性，另一種用於在原始人體T細胞中的基因表達。
在控制熒光素酶的系統中，他們將一種蛋白質鑲嵌在對應的納米位點上，通過體外翻譯和監測發光來測試邏輯門是否開啟。
而控制人體免疫T細胞基因表達的邏輯門交給了分離的TALE-KRAB抑制系統。
如果使用異二聚體，只要進入（1）就會產生抑制（0），相當於非門。
如果使用蛋白質單體，只要有任意一種蛋白質進入（1），就會破壞原來TALE-KRAB的結合，取消抑制（1），從而實現了或門的功能。
非門和或門使用來控制人體T細胞中TIM3蛋白的表達，通過流動式細胞光度進行檢測。
以上只是兩個輸入的情形，如果將輸入增加到3路也是類似。但是用到了更多二聚體，邏輯門的內部也用到的更多中的蛋白質。
對於3路的與門，共用到4對蛋白質，邏輯門內有1和2’。只有1’-4’、4-3’、3’-2同時輸入，形成1:1’-4’:4-3’:3’-2:1，才能將邏輯門激活。
3輸入的或門原理也類似。
雖然用蛋白質設計邏輯門早已有之，但異二聚體模塊是全新的技術，利用了從頭蛋白質設計的優勢。
通過重新設計蛋白質模塊，可以產生更多具有幾乎相同整體拓撲結構的邏輯門組件。
對蛋白質氫鍵網絡進行特異性編碼，使得具有相似結構的單體之間具有廣泛的結合親和力，這反過來允許構建基於競爭性結合的更復雜的門。
因為邏輯門的設計成分是超穩定的蛋白質，不需要額外的細胞機械結構，蛋白質邏輯門不管在細胞內，還是在細胞外，都可以工作。
文章的第一作者陳子博說：“我們已經用無細胞提取物、酵母細胞和T細胞中的純化成分證明了其功能。”
如何設計？
那麼，這樣的“碳基電路”具體是怎麼設計的？
原則上，可以使用一組異二聚體分子從頭設計各種邏輯門。
舉個例子，給定異二聚體對 A 和 A’，B 和 B’，C 和 C’。通過遺傳融合 A’ 和 B，以及 B’ 和 C，可以構建調節 A 和 C’ 的關聯關係的與門。
其中涉及到的條件是：
首先，應該有許多相互正交的異二聚體對，這樣門的複雜度就不會受到單個元素數量的限制。
第二，構件應該是模塊化的，並且在結構上應相似。
第三，單個構件應該具有同多個不同的、親和力可調節的夥伴結合的能力，以使輸入能通過破壞預先存在的低親和力相互作用，來執行取反操作。
第四，相互作用應該是協同（cooperative）的，這樣，門激活對輸入中化學計量的失衡就不敏感。
具體到這項研究中，為了滿足條件 1，研究人員採用具有氫鍵網絡介導特異性、相互正交設計的異二聚體集合，來進行邏輯門構建。
異二聚體接口共享相同的 4 個螺旋束拓撲，以滿足條件 2。
共享的交互接口限制了異二聚體對之間的串擾數量，這樣一來，綁定親和力的層次結構能滿足條件 3。
最後，通過構建單體融合體（上面例子中提到的 A’ 和 B，B’ 和 C）來滿足條件 4。
以下，將 A + A’-B + B’ 這樣的系統稱為誘導二聚化，A 和 B’ 稱為單體，A’-B 稱為二聚體。
誘導二聚化系統（6個殘基接頭）的示意圖如下。
實驗中，二聚體顯示出了協同結合。
於是，使用nMS，研究人員探討了由 2 個二聚體 1’-3 和 3-2’ ，以及單體 1 和 2 作為輸入，構成的雙輸入與門（AND）的協作性。
在實驗中，研究人員僅觀察到非常少量的異三聚體和異二聚體，進一步證明該方法具有高協同性。
研究人員還構造了一個 1’-4’，4-3’，3-2’ 的三輸入與門，結果與量輸入與門相似，完整的五聚體複合物的丰度僅在大於輸入化學計量濃度的濃度下略有下降。
在此基礎上，研究人員構建了多種基於 2-輸入和 3-輸入的 CIPHR 邏輯門。
具體方法是，各個DHD的單體通過遺傳融合與目標效應蛋白相連，從而使輸入（連接的異二聚體亞基）控制效應蛋白的共定位或解離。
通過設計的蛋白對之間的同源結合，和涉及多特異性相互作用的競爭性結合，來構建邏輯門。
給免疫細胞延壽
現在，我們可以用和計算機相同的運行方式在分子水平上控制生命，這對未來藥物和合成生物學具有重要意義。
而華盛頓大學的研究小組已經開始了下一步的研究，準備將這項技術用在治療癌症上。
用於治療癌症CAR-T細胞療法靶向療法現在有很多困難，科學家認為是與T細胞衰竭有關。
所謂CAR-T細胞是嵌合抗原受體T細胞，嵌合抗原受體則是一種經生物工程改造的蛋白。科學家線從人體提取出T細胞，用基因技術改造讓它專門瞄準癌細胞表面抗原，然後輸入回患者體內。
但是轉基因的T細胞只能存活較短的時間，華盛頓大學的研究小組希望，使用衰減信號響應的蛋白質邏輯門可以延長CAR-T細胞的活性。
陳子博說，用編程方法為每個患者製造長壽的T細胞，意味著將有更有效的個性化藥物誕生。
關於作者
陳子博今年29歲，是加州理工學院Elowitz實驗室的博士後，現在的研究方向是用蛋白質從零開始構建邏輯電路。
他本科畢業於新加坡國立大學生命科學專業，2019年在華盛頓大學獲得博士學位。去年還曾入選麻省理工科技評論35歲以下35人。
通訊作者David Baker，華盛頓大學醫學院生物化學教授、蛋白質設計研究所所長。
值得一提的是，David Baker還是蛋白質設計遊戲Foldit的作者之一，Foldit設計的蛋白質多次被科研工作者引用，現在還被用來設計抗擊新冠病毒。
論文地址：
https://science.sciencemag.org/content/368/6486/78
— 完 —
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