在“智能”细胞疗法新时代的人造蛋白引座员“无限潜力”

变革生物技术让科学家建立的生物电路,让细胞前所未有的功能,

通过 贾森·阿尔瓦雷斯

Science illustration.
在其关闭(背景)LOCKR和开放(前景)的状态。一个“键”(黑色)解锁“笼”(灰色),露出了生物活性肽(黄色),其可与细胞中的其它分子相互作用。超过一亿将需要覆盖这句话末尾的句号。 信用:伊恩·海顿/研究所在威斯康星大学蛋白质设计。

医学有一个“金发姑娘”的问题。给予,只有当许多疗法是安全和有效的 在正确的时间,以非常精确的剂量 - 给予时过早或过晚,在过大 或过小的量,药物可能无效甚至有害。但在许多情况下, 医生不知道什么时候还是多少来分配的方式。

现在,一队生物工程由加州大学旧金山分校的领导 花埃尔 - 萨马德博士,和 华盛顿贝克大学博士设计了一个显着的解决了这个问题 - “聪明”的细胞表现得像其中,在未来,可以用来检测微小的自主机器人 损伤和疾病,并在适当的时间和恰到好处的量提供帮助。

花埃尔 - 萨马德
花埃尔 - 萨马德,博士,LOCKR的共同发明人。 

令人惊讶的,这可以是没有任何人的直接干预得益于成就 首个,其独一无二的人造蛋白质 - 设计一个计算机上,并在实验室中合成的 - 即 可用于构建活细胞内全新的生物电路。这些电路变换 普通细胞转化为被赋予了非凡的能力,智能单元。

这个新的蛋白质,正式名称为闭锁正交笼键的蛋白质,或LOCKR,是 在一对纸在杂志7月24日出版的描述 性质。和 它不同于任何生物学家 - 或大自然本身 - 曾经设计。 

“而在生物武器库,聘用了大量的工具自然发生的分子是 重新用于在实验室中使用,LOCKR在本质上没有对应的,说:”埃尔 - 萨马德时,郭家人 生物化学教授和加州大学旧金山分校和新的研究的共同资深作者,生物物理学。 “LOCKR 是被设想和建立人类从开始到结束生物技术。这提供 控制权的蛋白质的方式前所未有的程度用的其它组分相互作用 单元格,将让我们开始解决尚未解决的 - 和以前无法解决的 - 在问题 生物学与医学和工业重要的意义“。

在其结构中,LOCKR类似于桶的是,在打开时,揭示了一个分子臂,可以是 工程化以控制几乎任何细胞过程。在 首先 这两个新的 论文中,研究人员描述了可以直接在细胞内分子贩运军火,降低 特定的蛋白质,并启动细胞的自我毁灭的过程。 

Portrait of David Baker.
贝克博士,LOCKR的共同发明人。 

但有一个问题 - 从字面上。直到桶被打开LOCKR的手臂仍然隐藏。作为 蛋白质的名字所暗示的,枪管保持关闭,直到遇到一个分子的“钥匙” - 蛋白质 科学家设计完美地融入桶的“锁” - 打开它。在里面 不存在一个键的,LOCKR是在效果,关断,键开关它。 

控制何时LOCKR是“开”或“关”的能力意味着它的行为很像一个电动 开关。虽然开关看似简单,甚至是原始的,高度小型化的开关是 所有现代电子产品的基本组成部分,包括复杂的集成电路是 电力电脑,iPhone,和所有其他智能小工具。与LOCKR,开关样蛋白 科学家可以最后构建这种电路的细胞内生物等效。

“以同样的方式,集成电路使计算机芯片产业的爆炸, 这些多功能和动态生物开关可能很快解锁通过精确控制 活细胞,最终,我们的健康的行为,说:”埃尔 - 萨马德,谁也是一个瓒 扎克伯格biohub调查。

第二 两个 论文,研究人员描述了该技术的电路建设令人印象深刻的示范 潜在。使用一个版本称为degronlockr的工具,它可以打开和关闭被切换的 降低感兴趣的蛋白质,他们构建了能够动态调节电路 响应于来自该单元的内部和外部环境中的暗示细胞活性。

在相同的方式,集成电路使爆炸 计算机芯片产业,这些多功能的和动态的生物开关可能很快就会解开 在活细胞的行为,最终,我们的健康的精确控制。

花埃尔 - 萨马德博士

当电路,其中包括遗传编码的传感器,检测的正常中断 细胞活性,degronlockr通过破坏其指导细胞中的蛋白质反应 造成中断,直到细胞恢复正常“软件” - 一个过程让人联想起 如何恒温不断感知环境温度和直接暖通空调系统关闭或 打开以保持所需的温度。

但使用degronlockr来构造新的生物电路这样在细胞比更 生物工程招客厅。根据安德鲁·纳克博士,这两项研究的共同第一作者谁 最近完成了他在El-Samad的实验室的博士后研究,该技术的潜力 几乎是无限的。

“LOCKR,更具体地说,degronlockr,打开的可能性了一个全新的境界 编程细胞来治疗各种衰弱条件,其安全有效 治疗尚未公布,”吴说,谁通过加州大学伯克利分校,加州大学旧金山分校EL-Samad的工作 在生物工程研究生课程。 “这些技术,我们只受限于我们 想像力。”

为此,埃尔 - 萨马德,Ng和他们的合作者,现在正在建设基于degronlockr智能电池 可能治疗多种疾病和疾病,包括外伤性脑损伤(TBI) - 一个 条件是体现医学的金发问题。

当大脑招致外伤,身体通过激活蓬勃炎症响应 响应。虽然炎症是机体的愈合过程的重要组成部分,在TBI, 炎症水平可能远远超过什么是必要的,甚至是健康的。在TBI的许多情况下, 炎症达到危险的水平,离开大脑永久损伤。

虽然医生可以管理药品管理这种情况,往往容易引起炎症 暴跌的水平如此之低,他们妨碍大脑的完全愈合。与TBI,无论是人体自身 防御也不是现代医学可以达到炎症的“恰到好处”金发级 - 不 太高,也不算低,但足以最大限度地愈合后不造成永久性的损害。

这就是degronlockr可以提供帮助。研究人员认为他们会很快就能变换 患者自身的细胞进入智能单元通过安装基于degronlockr,电路被设计成 感知炎症和调节免疫系统的活性。希望的是,当这些 改造的细胞送回病人体内,他们会内的狭窄保持良好的炎症 治疗部位。 

但TBI不是科学家正在利用这种技术解决的唯一条件。埃尔 - 萨马德 认为聪明的细胞有一天被部署到治疗范围广泛的疾病是 目前无法治愈的,从那些不受最新的药物和细胞疗法对癌症 自身免疫性疾病为其中没有疗法尚未提供。 

“通过使用被提名为未来的发展degronlockr和类似的分子,我们就能够 组成越来越复杂的电路,而有可能在新一代很好迎来 智能,精确和稳健的活细胞疗法,”厄尔尼诺 - 萨马德说。 

作者: 在第一篇论文的作者额外包括罗伯特。阑干,斯科特 即boyken,马克Ĵ。拉茹瓦,淄博辰,斯蒂芬妮Berger和维克拉姆·穆里根khipple在 学院在华盛顿大学蛋白质设计;詹妮弗一个。参孙和John发。 Dueber的加州大学伯克利分校;盖伦DODS, 亚历山德拉米。威斯布鲁克 和泰勒小时。阮加州大学旧金山分校;和沃尔特河页。诺瓦克 在沃巴什大学。在第二纸附加作者包括泰勒小时。阮, 马里亚纳 戈麦斯 - 斯基亚翁 和盖伦DODS在UCSF;罗伯特。阑干和斯科特即boyken在学院 在华盛顿大学蛋白质设计;詹妮弗一个。 SAMSON,LUCAS米。 waldburger和 John发。加州大学伯克利分校的Dueber的。

资金: 研究由华盛顿研究基金会的支持下, 宝来惠康基金,能源的BER IDAT补助(dewac02w05ch11231)一个部门,国家 一般医疗sciences-研究所支持alsw使能(gm124169w01)和美国国防部高级 研究项目代理合同(hr0011w16w2w0045)。

冲突: 阑干,boyken,面包,诺瓦克和拉茹瓦已经申请了临时 专利描述设计,组合物和LOCKR开关,按键和支架的功能; 兰根,NG,boyken,拉茹瓦,面包和El-萨马德已经申请描述一个临时专利 设计,组成和degronlockr构建体的功能;阑干,NG,boyken,面包师和El-萨马德 已经申请描述基于degronlockr分子反馈的电路的临时专利。 面包,boyken,阑干和拉茹瓦持有股权莱尔immunopharma。贝克持有股权萨纳 生物技术。

美国加州大学旧金山分校(UCSF),是一家致力于促进健康 全球通过先进的生物医学研究,研究生层次的生命教育 科学和卫生专业,以及卓越的病人护理。它包括加州大学旧金山分校的健康, 其中包括三个排名靠前的医院以及整个海湾地区的隶属关系。