生物学家构建的蛋白质可以避免与现有分子的相互干扰

在活细胞内，许多重要的信息是通过蛋白质间的相互作用来传递的。为了准确地传递这些信号，每个蛋白质必须只与特定的伙伴相互作用，避免与任何类似的蛋白质发生不必要的串扰。

麻省理工学院的一项新研究揭示了细胞如何能够阻止这些蛋白质之间的相互作用，同时也表明，还有大量可能的蛋白质相互作用尚未被细胞用于信号传导。这意味着合成生物学家可以产生新的蛋白质对，它们可以作为诊断疾病等应用的人工电路，而不干扰细胞现有的信号通路。

“使用我们的高通量方法，你可以生成一个特定相互作用的许多正交版本，让你看到有多少不同的绝缘版本的蛋白质复合物可以被构建，”麻省理工学院的研究生、该研究的主要作者Conor McClune说。

在今天发表在《自然》杂志上的新论文中，研究人员制造了新的信号蛋白对，并演示了如何通过工程E。大肠杆菌细胞遇到一种特殊的植物激素后产生黄色荧光。

麻省理工学院生物学教授迈克尔·劳布(Michael Laub)是这项研究的资深作者。其他作者包括最近毕业于麻省理工学院的Aurora Alvarez-Buylla和高级生物技术的Daniel I.C. Wang教授Christopher Voigt。

新组合

在这项研究中，研究人员重点关注一种称为双组分信号通路的信号通路，这种信号通路存在于细菌和其他一些有机体中。各种各样的双组分途径通过一个过程进化而来，在这个过程中，细胞复制它们已经拥有的蛋白质信号的基因，然后使它们突变，创造出类似蛋白质的家族。

Laub说:“从本质上来说，有机体能够显著地扩展这一小部分信号家族是有利的，但它也存在这样的风险，即这些系统之间的相互作用非常相似。”“这对细胞来说是一个有趣的挑战:如何保持信息流的保真度，如何将特定的输入与特定的输出结合起来?”

这些信号对大多由一种叫做激酶的酶和它的底物组成，后者被激酶激活。细菌可以有数十甚至数百个这样的蛋白质对来传递不同的信号。

大约10年前，劳布证明了细菌激酶和它们底物之间的特异性是由每个伙伴蛋白中的5个氨基酸决定的。这就提出了一个问题:细胞是否已经用尽了，或者接近用尽了，所有可能的独特组合都不会干扰现有的通路。

之前来自其他实验室的一些研究表明，相互之间不会产生干扰的相互作用的可能数量可能正在减少，但证据并不确定。麻省理工学院的研究人员决定采用一种系统的方法，从一对现有的大肠杆菌信号蛋白，即PhoQ和PhoP开始，然后在决定其特异性的区域引入突变。

这产生了超过10000对的蛋白质。研究人员测试了每一种激酶，看它们是否会激活任何一种底物，并确定了约200对彼此相互作用的激酶，但不包括在大肠杆菌中发现的父蛋白、其他新配对或任何其他类型的激酶-底物家族。

劳布说:“我们发现，很容易找到有效的组合，即两种蛋白质相互作用，传递一个信号，但它们不与细胞内的任何其他物质交流。”

他现在计划重建导致某些蛋白质对被细胞使用的进化史，而许多其他可能的组合还没有自然进化。

合成电路

研究人员说，这项研究还为创造新的合成生物电路提供了一种新策略，这种电路基于不与其他细胞蛋白相互干扰的蛋白质对。为了证明这种可能性，他们提取了一个新的蛋白质对，并对激酶进行了修饰，使其被一种叫做反式玉米蛋白的植物激素激活，并对底物进行了改造，使其在激酶激活时发出黄色的光。

Voigt说:“这表明我们可以克服在细胞中植入合成电路的挑战之一，即细胞中已经充满了信号蛋白。”“当我们试图在物种之间移动传感器或电路时，最大的问题之一是它会干扰已经存在的路径。”

这种新方法的一个可能的应用是设计检测其他微生物存在的电路。这样的电路可以用来制造益生菌，帮助诊断传染病。

“细菌可以被设计成感知环境并对其做出反应，例如‘智能’肠道细菌可以诊断和治疗炎症、糖尿病或癌症，或者保持适当的氮水平并消除对化肥的需求的土壤微生物。”为了制造这样的细菌，合成生物学家需要基因编码的‘传感器’，”莱斯大学生物工程和生物科学副教授杰弗里·塔博尔说。

“合成生物学的一个主要局限是，我们的基因部分在新生物体中失败了，原因是我们不理解的(比如相声)。这篇论文表明，有很多空间可以用来重新设计电路，这样就不会发生这种情况，”泰伯说，他没有参与这项研究。

如果这种方法适用于人类细胞，它还可以帮助研究人员设计新的方法来对人类T细胞进行编程，从而摧毁癌细胞。这种疗法被称为CAR-T细胞疗法，已经被批准用于治疗一些血癌，同时也在开发用于其他癌症。

尽管相关信号蛋白会不同于那些在这项研究中,“同样的原则适用于治疗依赖于我们的能力的工程蛋白质和放进小说基因组上下文,并希望他们不干扰途径已经在细胞,”McClune说。

这项研究由霍华德·休斯医学研究所、海军研究办公室和美国国立卫生研究院的博士前培训拨款资助。