萊斯大學的科學家開發(fā)出合成蛋白質(zhì)開關(guān)來控制電子的流動。

在合成生物學家Joff Silberg的Rice實驗室中制造的概念驗證，含金屬的蛋白質(zhì)在引入一種化學物質(zhì)時在細胞內(nèi)表達，并且由另一種化學物質(zhì)在功能上激活。如果將蛋白質(zhì)放入細胞中，可以簡單地打開和關(guān)閉蛋白質(zhì)。

“這不是開關(guān)的隱喻，它是由蛋白質(zhì)構(gòu)建的字面電子開關(guān)，”Silberg說。

這些蛋白質(zhì)可以促進下一代生物電子學，包括模擬其電子對應(yīng)物的細胞內(nèi)的完整生物電路?？赡艿膽?yīng)用包括活體傳感器，用于化學合成的電子控制代謝途徑和感知其環(huán)境并僅在需要時釋放藥物的活性藥丸。

這項工作出現(xiàn)在Nature Chemical Biology。“生物學非常擅長傳感分子，”生物科學和生物工程學教授西爾伯格說。“這是一個了不起的事情。想想細胞是多么復雜，以及蛋白質(zhì)是如何進化的，它可以響應(yīng)信息海洋中的單一提示。我們希望利用這種精湛的能力建立更精細的生物分子，并利用它們來開發(fā)有用的合成物質(zhì)生物技術(shù)。“

賴斯隊利用了這些與生俱來的能力。系統(tǒng)，合成和物理生物學研究生和主要作者Josh Atkinson表示，“移動電子的天然蛋白質(zhì)或多或少地作為總是存在的電線。” “如果我們能夠開啟和關(guān)閉這些途徑，我們就能讓細胞更有效地運作。”

西爾伯格說，賴斯的金屬蛋白質(zhì)開關(guān) - 所謂的鐵含量 - 很快。自然通常通過使用遺傳機制來控制蛋白質(zhì)“電線”的產(chǎn)生來控制電子流動。

“這都是轉(zhuǎn)錄，”他說。“即使在快速生長的大腸桿菌中，它也需要幾分鐘。相比之下，蛋白質(zhì)開關(guān)在幾秒鐘的時間范圍內(nèi)起作用。”

為了實現(xiàn)切換 - 它們在合成電子傳遞途徑中使用 - 研究人員需要一種穩(wěn)定的蛋白質(zhì)，可以沿其肽骨架可靠地分裂，以允許插入完成或破壞電路的蛋白質(zhì)片段。他們以鐵氧還蛋白為基礎(chǔ)，鐵蛋白是一種常見的鐵硫蛋白，可在生命的各個領(lǐng)域介導電子轉(zhuǎn)移。

Atkinson構(gòu)建了嵌入大腸桿菌中的開關(guān)，可以在存在(或不存在)4-羥基三苯氧胺(一種用于對抗乳腺癌和其他癌癥的雌激素受體調(diào)節(jié)劑)或雙酚A(BPA)的情況下開啟。塑料中使用的化學品。

他們的大腸桿菌是一種突變菌株，只有當鐵氧還蛋白電子傳遞鏈的所有成分 - 包括電子供體和受體蛋白 - 被表達時，它才能在硫酸鹽培養(yǎng)基中生長。這樣，只有開關(guān)打開并按計劃傳輸電子，細菌才會生長。

Silberg表示，這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)該為許多應(yīng)用帶來定制設(shè)計的開關(guān)，包括與外部電子設(shè)備的接觸。“這就是為什么我們對這種生物電子學的想法如此強烈，因為合成生物學正在形成的整個領(lǐng)域能夠更好地控制設(shè)計，”他說。“一旦你能夠?qū)⑵錁藴驶覀兛梢杂眉毎麡?gòu)建各種各樣的東西。”

這可能包括僅根據(jù)需要釋放藥物的智能藥丸，或報告病情的腸道生物群檢測器。或者也許電路完全包含在電池內(nèi)。

“我們已經(jīng)可以將很多電氣工程師用電容器和電阻器做的代碼映射到新陳代謝上，但直到現(xiàn)在，還沒有開關(guān)，”Silberg說。

他建議多個開關(guān)也可以將一個細胞變成一個生物處理器。“然后我們可以在細胞中看到數(shù)字并行處理，”他說。“它改變了我們看待生物學的方式。”