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设计：真“碳基电路”：用蛋白质逻辑门把细胞变成计算机 | Science


边策 鱼羊 发自 凹非寺 量子位 报道 | 公众号 QbitAI
硅基生命遥不可及 ， 但碳基电路已经来了 ， 而且是有生命的 。
【设计：真“碳基电路”：用蛋白质逻辑门把细胞变成计算机 | Science】原来 ， 蛋白质也能也能造出计算机的基本单元 ， 和硅基电路一样 ， 这种“蛋白质电路”可以组合设计出各种负责逻辑电路 。
从此 ， 我们可以像控制电路开关一样控制蛋白质参与的生命过程 。
来自华盛顿大学的研究小组 ， 用人造蛋白质从零开始制造分子逻辑门 ， 实现了双输入、三输入的与门、或门、与非门、或非门、异或门等等 。
这项研究登上了最新一期的Science 。
设计：真“碳基电路”：用蛋白质逻辑门把细胞变成计算机 | Science
本文插图

在硅电路里 ， 高电平表示1 ， 低电平表示0 。 被巧妙设计的蛋白质 ， 就像一串串01信号 ， 通过一组不同的组合实现特定的功能 。
他们的最终目的却不是造出一台蛋白质计算机 ， 而是用逻辑门去调节人T细胞内的基因表达 ， 让基因改造后的T细胞更长寿 ， 提高癌症细胞疗法的安全性和耐用性 。
论文作者表示 ， 新的蛋白质设计的复杂度已经接近真实蛋白质集合体 。
（这项研究） ， 是对复杂的生物电路进行编程的关键一步 。
并且 ， 据一作陈子博透露 ， 团队已经着手研究 ， 能否用该方法组成多级电路 。
用逻辑门控制生物功能 蛋白质电路的基本输入是由CIPHR（协同诱导蛋白质异二聚体）来控制 。
所谓CIPHR就是两种不同蛋白质的聚合体 ， 每种蛋白质都对应一个特定位置的输入 。 不同的组合相当于电路不同位置的1 。
CIPHR的逻辑门具有可移植性 ， 这也意味着我们可以用逻辑门去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 ， 构建了两种不同控制功能的逻辑门 。 一种用于分离荧光素酶的催化活性 ， 另一种用于在原始人体T细胞中的基因表达 。
在控制荧光素酶的系统中 ， 他们将一种蛋白质镶嵌在对应的纳米位点上 ， 通过体外翻译和监测发光来测试逻辑门是否开启 。
而控制人体免疫T细胞基因表达的逻辑门交给了分离的TALE-KRAB抑制系统 。
如果使用异二聚体 ， 只要进入（1）就会产生抑制（0） ， 相当于非门 。
如果使用蛋白质单体 ， 只要有任意一种蛋白质进入（1） ， 就会破坏原来TALE-KRAB的结合 ， 取消抑制（1） ， 从而实现了或门的功能 。
设计：真“碳基电路”：用蛋白质逻辑门把细胞变成计算机 | Science
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非门和或门使用来控制人体T细胞中TIM3蛋白的表达 ， 通过流动式细胞光度进行检测 。
以上只是两个输入的情形 ， 如果将输入增加到3路也是类似 。 但是用到了更多二聚体 ， 逻辑门的内部也用到的更多中的蛋白质 。
对于3路的与门 ， 共用到4对蛋白质 ， 逻辑门内有1和2’ 。 只有1’-4’、4-3’、3’-2同时输入 ， 形成1:1’-4’:4-3’:3’-2:1 ， 才能将逻辑门激活 。
设计：真“碳基电路”：用蛋白质逻辑门把细胞变成计算机 | Science
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3输入的或门原理也类似 。
设计：真“碳基电路”：用蛋白质逻辑门把细胞变成计算机 | Science
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虽然用蛋白质设计逻辑门早已有之 ， 但异二聚体模块是全新的技术 ， 利用了从头蛋白质设计的优势 。
通过重新设计蛋白质模块 ， 可以产生更多具有几乎相同整体拓扑结构的逻辑门组件 。
对蛋白质氢键网络进行特异性编码 ， 使得具有相似结构的单体之间具有广泛的结合亲和力 ， 这反过来允许构建基于竞争性结合的更复杂的门 。
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 ， 蛋白质逻辑门不管在细胞内 ， 还是在细胞外 ， 都可以工作 。


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