科学家针对生物磷酸化过程开发出一套新工具，用于在人体细胞中定制感知和响应电路。
这项1月2日发表于《科学》的研究，代表了合成生物学领域的一项重大突破，有望改变自身免疫性疾病和癌症等复杂疾病的治疗方法。
“想象一下，细胞内由蛋白质组成的微小处理器可以‘决定’如何对炎症、肿瘤生长标志物或血糖水平的特定信号作出反应。”论文第一作者、美国莱斯大学的研究生杨晓宇说，“这项工作使我们更接近于构建能够检测疾病迹象并立即定制治疗方案的‘智能细胞’。”
人工细胞电路的设计依赖于磷酸化——这是一种细胞对环境作出反应的自然过程，特征是向蛋白质中添加磷酸基团。磷酸化涉及广泛的细胞功能，包括将细胞外信号转化为细胞内反应，例如移动、分泌物质、对病原体作出反应或表达基因。
在多细胞生物中，基于磷酸化的信号传导通常涉及多阶段的级联效应，像多米诺骨牌一样。之前在人类细胞中利用这种机制进行治疗的尝试主要集中在重新设计天然的信号通路上。然而，这些途径的复杂性使其难以使用，因此效果相当有限。
得益于莱斯大学研究人员的新发现，基于磷酸化的“智能细胞”带来的创新在未来几年可能会有一个显著突破。而促成这一突破的是视角的转变。
磷酸化是一个连续的过程，由一系列相互关联的循环展开，即从细胞输入（细胞在环境中遇到或感觉到的东西）到输出（细胞的反应）。研究小组意识到并着手证明了级联中的每个循环都可以被视为一个基本单元，而这些单元可以按新的方式连接在一起，构建连接细胞输入和输出的新途径。
“这打开了信号电路设计的空间。”论文通讯作者、莱斯大学助理教授Caleb Bashor说，“我们的策略能够设计出合成磷酸化回路，这些回路不仅具有高度可调性，而且可与细胞自身的过程并行运作，且不会影响细胞存活率或生长速度。”
这虽然听起来很简单，但要弄清楚如何构建、连接和调整这些单元，包括细胞内和细胞外输出的设计绝非易事。
“我们不奢望我们设计的合成信号通路，能与人类细胞中的天然信号通路以相似的速度和效率运行。这需要大量的努力与合作才能实现。”杨晓宇说。
这种新的细胞电路设计的一个明显优势是，磷酸化在几秒钟或几分钟内就能迅速发生。而以前的许多合成电路设计都是基于不同的分子过程，如转录，可能需要几个小时才能激活。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1126/science.adm8485
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