在生命科學(xué)和疾病治療的研究領(lǐng)域，能夠?qū)⑻囟ǖ鞍踪|(zhì)輸送到特定細(xì)胞，是科學(xué)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(zhǔn)目標(biāo)細(xì)胞，還是跨細(xì)胞膜運輸所需的蛋白質(zhì)，都是極具挑戰(zhàn)的艱難任務(wù)。

在很多時候，自然是我們最好的老師，許多天然系統(tǒng)的巧妙程度超乎想象。近日，麥戈文腦科學(xué)研究所及布羅德研究所的研究人員，就在張鋒教授的帶領(lǐng)下，利用一種天然的細(xì)菌系統(tǒng)，在人工智能AlphaFold的幫助下，開發(fā)了蛋白質(zhì)運輸?shù)男路椒ā?/span>

這項發(fā)表在《自然》雜志上的新技術(shù)，使用的是一種由細(xì)菌產(chǎn)生的類似“注射器”的微型結(jié)構(gòu)，可以通過編程將一系列有用的蛋白質(zhì)輸送進不同類型的細(xì)胞之中。

透射電子顯微術(shù)呈現(xiàn)的細(xì)菌注射系統(tǒng)。（圖/Joseph Kreitz/Broad Institute, McGovern Institute）

研究人員已經(jīng)證實，這種方法在人類細(xì)胞和動物中都能發(fā)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(nèi)共生細(xì)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(xì)胞膜，這就導(dǎo)致內(nèi)共生細(xì)菌進化出了一套復(fù)雜的能主動將有效蛋白質(zhì)輸送到目標(biāo)細(xì)胞的系統(tǒng)。

細(xì)胞外收縮注射系統(tǒng)（eCIS）的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中所示的是一個發(fā)光桿菌毒力基因簇（PVC）的例子，它是由發(fā)光桿菌產(chǎn)生的eCIS。（圖/Kreitz, J. et al., Nature）

細(xì)胞外收縮注射系統(tǒng)（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(jié)構(gòu)內(nèi)的剛性管組成，這個鞘會收縮，驅(qū)動管末端的一個尖刺穿過細(xì)胞膜。利用eCIS，內(nèi)功生細(xì)菌可以像“打針”那樣，將管內(nèi)的蛋白質(zhì)注入細(xì)胞，進而達到幫助調(diào)整周圍的生物環(huán)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(xì)胞，但并不清楚它們能否在人類細(xì)胞中發(fā)揮作用。此外，這些系統(tǒng)識別靶細(xì)胞的機制，目前也尚不明確。

eCIS一端的外側(cè)是尾部纖維，它能識別細(xì)胞表面的特定受體，并將它鎖住。因此，研究人員認(rèn)為，通過重新設(shè)計這處尾部纖維，使其與不同的受體結(jié)合，也許就可以修改整個系統(tǒng)，從而將蛋白質(zhì)輸送到人類細(xì)胞中。

研究人員設(shè)計的由PVC介導(dǎo)的蛋白傳遞機制，PVC可能通過尾部纖維識別目標(biāo)細(xì)胞，導(dǎo)致鞘狀機制收縮，從而推動尖刺穿過細(xì)胞膜。然后，蛋白質(zhì)通過管復(fù)合物的分解進入細(xì)胞。（圖/Kreitz, J. et al., Nature）

他們想到了強大的人工智能AlphaFold，它能根據(jù)氨基酸序列預(yù)測蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。利用AlphaFold，研究人員重新設(shè)計了由發(fā)光桿菌屬（Photorhabdus）的細(xì)菌產(chǎn)生的eCIS的尾部纖維，使其可以與人類細(xì)胞結(jié)合。通過重新設(shè)計eCIS的另一個部分，科學(xué)家誘使注射器輸送了他們所選的蛋白質(zhì)，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(xì)胞結(jié)合的PVC。（圖/Joseph Kreitz/Broad Institute, McGovern Institute）

團隊創(chuàng)造了專門針對表達表皮生長因子（EGF）受體的癌細(xì)胞的eCIS，結(jié)果表明，它們幾乎100%地殺死了這些細(xì)胞，但并沒有影響那些沒有受體的細(xì)胞。盡管效率部分取決于系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)受體，但這些發(fā)現(xiàn)證明了這個系統(tǒng)在詳細(xì)的工程設(shè)計下的前景。

被PVC殺死的癌細(xì)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(zhì)，發(fā)現(xiàn)它并沒有誘發(fā)小鼠出現(xiàn)可檢測到的免疫反應(yīng)。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(xì)胞（藍色）結(jié)合。（圖/Joseph Kreitz/Broad Institute, McGovern Institute）

  包裝蛋白質(zhì)  

eCIS系統(tǒng)是多功能的，團隊已經(jīng)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(xì)胞有毒的蛋白，以及Cas9，也就是一種用于許多基因編輯系統(tǒng)的大型DNA切割酶。

未來，研究人員還可以設(shè)計eCIS系統(tǒng)的其他組件，以調(diào)整其他屬性，或傳遞其他貨物，如DNA或RNA。這種類型的系統(tǒng)在生物學(xué)中發(fā)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(tǒng)在自然界中的功能。他們相信，這是說明蛋白質(zhì)工程可以改變一個天然系統(tǒng)的生物活性的絕佳示例。它證實了蛋白質(zhì)工程是生物工程和開發(fā)新治療系統(tǒng)的一種有用工具。目前，治療分子給藥是醫(yī)學(xué)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(xì)胞。通過學(xué)習(xí)自然界如何運輸?shù)鞍踪|(zhì)，或許能幫助解決這一差距。

文章來源：原理

IEEE Spectrum

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