硅基生命遥不可及，但碳基电路就在这里，而且还活着。事实证明，蛋白质也可以构成计算机的基本单元。就像硅基电路一样，这种“蛋白质电路”可以组合起来设计出各种负责的逻辑电路。从此，我们就可以像控制电路开关一样控制蛋白质参与的生命过程。华盛顿大学的研究团队利用人工蛋白质从零开始创造分子逻辑门，实现了双输入、三输入与门、或门、与非门、或非门、异或门等。最新一期的科学。在硅电路中，高电平代表1，低电平代表0。设计巧妙的蛋白质就像一串01信号，通过一组不同的组合实现特定的功能。他们的最终目标不是制造蛋白质计算机，而是利用逻辑门来调节人类T细胞中的基因表达，使转基因T细胞寿命更长，并提高癌细胞治疗的安全性和持久性。据该论文的作者称，新蛋白质设计的复杂性已接近真正的蛋白质聚集体。（本研究）是对复杂生物电路进行编程的关键一步。而且，根据第一个工作陈子博的说法，团队已经开始研究这种方法是否可以用来组成多电平电路。使用逻辑门控制生物功能蛋白质电路的基本输入由CIPHR（协同诱导蛋白质异二聚化）控制。所谓CIPHR是两种不同蛋白质的聚合体，每一种蛋白质都对应一个特定位置的输入。不同的组合在电路的不同位置相当于1。CIPHR的逻辑门是可移植的，这也意味着我们可以用逻辑门来控制不同的生物功能。在实验中，研究人员设计了四对异二聚体模块来构建具有两种不同控制功能的逻辑门。一个用于分离荧光素酶的催化活性，另一个用于在幼稚人类T细胞中进行基因表达。在荧光素酶控制的系统中，他们将一种蛋白质嵌入相应的纳米位点，在体外进行翻译并监测发光以测试逻辑门是否打开。控制人类免疫T细胞基因表达的逻辑门被交给隔离的TALE-KRAB抑制系统。如果使用异二聚体，只要一个入口（1）导致一个抑制（0），相当于一个非门。如果使用蛋白质单体，只要有任何蛋白质进入（1），就会破坏原来的TALE-KRAB结合，取消抑制（1），从而实现或门的功能。NOT和OR门用于控制人T细胞中的TIM3蛋白表达，通过流式细胞术检测。上面只是两个输入的情况，如果输入增加到三个也是类似的。但是在逻辑门内部使用了更多的二聚体和更多的蛋白质。对于3路与门，共有4对蛋白质，逻辑门中有1和2'。只有同时输入1'-4'、4-3'、3'-2，组成1:1'-4':4-3':3'-2:1，逻辑门才能被激活。三输入或门的原理也类似。虽然使用蛋白质设计逻辑门早已为人所知，但异二聚体模块是一种利用从头蛋白质设计的新技术。通过重新设计蛋白质模块，可以生产更多具有几乎相同整体拓扑结构的逻辑门组件。蛋白质氢键网络的特定编码使具有相似结构的单体之间具有广泛的结合亲和力，这反过来又允许构建基于竞争结合的更复杂的门。因为逻辑门的设计成分是超稳定的蛋白质，不需要额外的细胞机械结构，蛋白质逻辑门无论在细胞内还是细胞外都能发挥作用。“我们已经用无细胞提取物、酵母细胞和T细胞中的纯化成分证明了它的功能，”该文章的第一作者ZiboChen说。如何设计？那么，这样的“碳基电路”是如何设计的呢？原则上，可以使用一组异二聚体分子从头设计各种逻辑门。例如，给定异二聚体对A和A'、B和B'，以及C和C'。通过遗传融合A'和B，以及B'和C，可以构建一个调节A和C'之间关联的与门。涉及的条件是：首先，应该有许多相互正交的异二聚体对，这样门的复杂性就不受单个元素数量的限制。其次，组件应该是模块化的，结构相似。第三，单个构建块应该能够绑定到多个不同的、亲和力可调的合作伙伴，以便可以通过破坏预先存在的低亲和力交互来否定输入。第四，相互作用应该是合作的，这样门激活对输入中的化学计量不平衡不敏感。具体来说，在本研究中，为了满足条件1，研究人员使用具有氢键网络介导的特异性和相互正交设计的异二聚体组来构建逻辑门。异二聚体界面共享相同的4螺旋束拓扑结构以满足条件2。共享交互界面限制异二聚体对之间的串扰量，以便结合亲和力的层次结构满足条件3。最后，通过构建单体融合（上例中提到的A'和B、B'和C）满足条件4。以下将A+A'-B+B'的体系称为诱导二聚化，A和B'称为单体，A'-B称为二聚体。诱导二聚化系统（6残基接头）的示意图如下所示。在实验中，二聚体表现出协同结合。因此，研究人员使用nMS探索了双输入与门(AND)的协作性质，该门由两个二聚体1'-3和3-2'以及作为输入的单体1和2组成。在实验中，研究人员仅观察到极少量的异三聚体和异二聚体，进一步证明了该方法的高协同性。研究人员还构建了1'-4'、4-3'、3-2'三输入与门，结果与数量输入与门相似，完整五聚体复合物的丰度仅大于inputchemical化学计量浓度的浓度略有下降。基于此，研究人员构建了多种基于2输入和3输入的CIPHR逻辑门。具体来说，单个DHD的单体在基因上与目标效应蛋白融合，允许输入（连接的异二聚体亚基）控制效应蛋白的共定位或解离。逻辑门是通过设计的蛋白质对之间的同源结合和涉及多特异性相互作用的竞争性结合构建的。延长免疫细胞的寿命现在，我们可以像计算机操作一样在分子水平上控制生命，这对未来的医学和合成生物学具有重要意义。华盛顿大学的研究团队已经开始了下一步的研究，准备将这项技术用于治疗癌症。靶向治疗癌症的CAR-T细胞疗法存在诸多困难，科学家认为这与T细胞衰竭有关。所谓CAR-T细胞就是嵌合抗原受体T细胞，嵌合抗原受体是一种生物工程蛋白。科学家首先从人体中提取T细胞，利用基因技术对其进行修饰，使其特异性靶向癌细胞表面的抗原，然后将其回输给患者。但转基因T细胞只能存活很短的时间，UW团队希望利用减弱信号反应的蛋白质逻辑门可以延长CAR-T细胞的活性。陈子博表示，用编程的方式为每个患者创造长寿的T细胞，意味着更有效的个性化医疗将诞生。关于作者ZiboChen，29岁，是加州理工学院Elowitz实验室的博士后研究员，他目前的研究重点是使用蛋白质从头开始构建逻辑电路。他毕业于新加坡国立大学生命科学专业，并获得博士学位。2019年获华盛顿大学博士学位。去年还入选麻省理工科技评论35Under35之一。通讯作者DavidBaker是华盛顿大学医学院生物化学教授、蛋白质设计研究所所长.值得一提的是，DavidBaker也是蛋白质设计游戏Foldit的作者之一。Foldit设计的蛋白质曾多次被科研人员引用，目前正被用于针对新型冠状病毒的设计。论文地址：https://science.sciencemag.org/content/368/6486/78
