在生命科學和疾病治療的研究領域，能夠將特定蛋白質輸送到特定細胞，是科學家夢寐以求想要擁有的能力。然而，這其中面臨重重困難，無論是瞄準目標細胞，還是跨細胞膜運輸所需的蛋白質，都是極具挑戰的艱難任務。

在很多時候，自然是我們最好的老師，許多天然系統的巧妙程度超乎想象。近日，麥戈文腦科學研究所及布羅德研究所的研究人員，就在張鋒教授的帶領下，利用一種天然的細菌系統，在人工智能AlphaFold的幫助下，開發了蛋白質運輸的新方法。

這項發表在《自然》雜志上的新技術，使用的是一種由細菌產生的類似“注射器”的微型結構，可以通過編程將一系列有用的蛋白質輸送進不同類型的細胞之中。

透射電子顯微術呈現的細菌注射系統。（圖/Joseph Kreitz/Broad Institute, McGovern Institute）

研究人員已經證實，這種方法在人類細胞和動物中都能發揮作用，有望成為傳遞基因療法和癌癥療法的一種安全且高效的方式。

  通過收縮進行注射  

對于內共生細菌來說，分泌一些有助于共生適合度的因子，通常是有利的。然而，許多這類因子并不能輕易通過細胞膜，這就導致內共生細菌進化出了一套復雜的能主動將有效蛋白質輸送到目標細胞的系統。

細胞外收縮注射系統（eCIS）的結構示意圖。圖中所示的是一個發光桿菌毒力基因簇（PVC）的例子，它是由發光桿菌產生的eCIS。（圖/Kreitz, J. et al., Nature）

細胞外收縮注射系統（eCIS）就是這樣一個例子。它們是一類約100納米長的有著注射器形狀的大分子化合物，由一個鞘狀結構內的剛性管組成，這個鞘會收縮，驅動管末端的一個尖刺穿過細胞膜。利用eCIS，內功生細菌可以像“打針”那樣，將管內的蛋白質注入細胞，進而達到幫助調整周圍的生物環境、提高生存能力的目的。

近年的一些研究表明，eCIS可以天然地靶向小鼠細胞，但并不清楚它們能否在人類細胞中發揮作用。此外，這些系統識別靶細胞的機制，目前也尚不明確。

eCIS一端的外側是尾部纖維，它能識別細胞表面的特定受體，并將它鎖住。因此，研究人員認為，通過重新設計這處尾部纖維，使其與不同的受體結合，也許就可以修改整個系統，從而將蛋白質輸送到人類細胞中。

研究人員設計的由PVC介導的蛋白傳遞機制，PVC可能通過尾部纖維識別目標細胞，導致鞘狀機制收縮，從而推動尖刺穿過細胞膜。然后，蛋白質通過管復合物的分解進入細胞。（圖/Kreitz, J. et al., Nature）

他們想到了強大的人工智能AlphaFold，它能根據氨基酸序列預測蛋白質的結構。利用AlphaFold，研究人員重新設計了由發光桿菌屬（Photorhabdus）的細菌產生的eCIS的尾部纖維，使其可以與人類細胞結合。通過重新設計eCIS的另一個部分，科學家誘使注射器輸送了他們所選的蛋白質，在某些情況下，效率非常之高。

通過透射電子顯微鏡成像，與癌細胞結合的PVC。（圖/Joseph Kreitz/Broad Institute, McGovern Institute）

團隊創造了專門針對表達表皮生長因子（EGF）受體的癌細胞的eCIS，結果表明，它們幾乎100%地殺死了這些細胞，但并沒有影響那些沒有受體的細胞。盡管效率部分取決于系統設計的目標受體，但這些發現證明了這個系統在詳細的工程設計下的前景。

被PVC殺死的癌細胞。（圖/Joseph Kreitz/Broad Institute, McGovern Institute）

研究人員還使用eCIS向活體小鼠的腦部輸送了蛋白質，發現它并沒有誘發小鼠出現可檢測到的免疫反應。這表明eCIS有朝一日有望被用來安全地向人體輸送基因療法。

在注射有效載荷蛋白前，PVC（綠色）與昆蟲細胞（藍色）結合。（圖/Joseph Kreitz/Broad Institute, McGovern Institute）

  包裝蛋白質  

eCIS系統是多功能的，團隊已經用它來輸送了一系列“貨物”，包括堿基編輯蛋白（可以對DNA進行單字母改變）、對癌細胞有毒的蛋白，以及Cas9，也就是一種用于許多基因編輯系統的大型DNA切割酶。

未來，研究人員還可以設計eCIS系統的其他組件，以調整其他屬性，或傳遞其他貨物，如DNA或RNA。這種類型的系統在生物學中發揮著真正重要的作用，這些作用還有待探索。

研究人員還想更好地了解這類系統在自然界中的功能。他們相信，這是說明蛋白質工程可以改變一個天然系統的生物活性的絕佳示例。它證實了蛋白質工程是生物工程和開發新治療系統的一種有用工具。目前，治療分子給藥是醫學的一個主要瓶頸。人們需要借助這些強大的新療法進入身體的正確細胞。通過學習自然界如何運輸蛋白質，或許能幫助解決這一差距。

文章來源：原理

IEEE Spectrum

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