有人說，大自然是我們的老師。經過數十億年的演化，地球上的生命早已為我們提供了大量寶貴的資源。輔以人類的智慧，科學家們也將其中不少有趣的現(xiàn)象改造成了突破性的科研工具，近年來大放異彩的CRISPR基因編輯技術與光遺傳學便是其中的佼佼案例。
然而，今日背靠背發(fā)表在最新一期《自然》雜志上的兩篇論文，昭示著人類已經從“大自然”這里成功出師，開辟出了一片嶄新的天地——科學家們成功設計出了一種由蛋白質組成的分子開關，可用于調節(jié)任意的細胞功能。值得一提的是，這些蛋白設計并沒有大自然的原型可以參考，而是完完全全出自人類自己的智慧！
“這是首批完全由人類構想并創(chuàng)造的生物技術工具。”介紹這兩篇論文的官方新聞稿中這樣說道。
這一具有里程碑意義的工具縮寫是LOCKR，它是一類由人工設計的蛋白質，能在細胞中根據熱力學條件的不同，發(fā)生構象變化，從而釋放出具有生物活性的多肽，控制多種多樣的細胞功能。這聽起來有些復雜，運作的機理卻并不復雜——同樣是在官方的新聞稿中，這一類蛋白質被比作是空調的“調溫器”。如果感知到房間里的溫度太高，它就會發(fā)出信號，開啟制冷功能。如果溫度太低，它就會暫停制冷。
不同的是，這些人工設計的分子開關所監(jiān)測的不是房間里的溫度，而是細胞內各種各樣的反應信號！
在這兩篇《自然》論文中，人工設計蛋白領域的“大神”David Baker教授與合成生物學專家Hana El-Samad教授的課題組展開緊密合作，詳細介紹了這一分子開關的設計與應用。在第一篇文章里，研究人員們描述了LOCKR系統(tǒng)的設計理念；第二篇文章則直接在酵母細胞中對其進行了應用，并發(fā)現(xiàn)它不但使用簡便，還能有效對天然存在、或是人工引入的基因通路進行調控。
具體來看，LOCKR能夠起到“調節(jié)基因表達，降解特定蛋白，以及控制蛋白結合與互作”的功能。在第二篇論文的最后，研究人員們還指出，過去的“反饋通路”只能依賴天然存在的調控蛋白，因此所影響的基因通路非常有限，極大限制了它們的應用前景。而LOCKR系統(tǒng)能“即插即用”，能對涉及到轉錄的“任何”生物學網絡進行反饋調控！
“用人工設計的蛋白來控制細胞，使生物學推進到了一個全新的時代，” El-Samad教授說道：“就像集成電路帶來了計算機芯片產業(yè)的爆發(fā)式增長一樣，這些功能多樣的生物學開關很快就能精準控制活體細胞的行為，并最終影響到我們的健康。”
本研究的主要作者們在接受采訪時舉了一個例子——他們認為細胞療法在近年來扮演了很重要的地位，而這套系統(tǒng)有望對現(xiàn)有的細胞療法進行改良，為這些細胞帶來更好的調控，從而治療癌癥等疾病。
總結來看，這兩支科學團隊帶來的這套系統(tǒng)開辟了一條“編輯細胞功能”的全新天地。未來，我們將不再受限于天然蛋白的局限，而可以盡情探索無限的可能。屆時，能夠限制這一領域發(fā)展的，只有人類的想象力了。
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