莱斯大学开发“智能细胞”，在人类细胞中设计磷酸化电路

蛋白质磷酸化信号网络在细胞感知和响应环境方面发挥着重要作用。在多细胞生物中，基于磷酸化的信号传导通常涉及多阶段、级联效应，就像倒下的多米诺骨牌一样。之前利用这种机制治疗人类细胞的尝试主要集中在重新设计天然的现有信号通路。然而，这些通路的复杂性使得它们难以操作，应用有限。

近日，来自莱斯大学的 Xiaoyu Yang、Caleb Bashor 等研究人员设计了人工磷酸化网络，其中可逆酶磷酸化循环由模块化蛋白质域部分组装而成，并连接在一起以在人类细胞中创建合成磷酸化电路。相关成果以“Engineering synthetic phosphorylation signaling networks in human cells”为题，发表于 Science 期刊。

“这是首次公布用于在人类细胞中设计合成磷酸化电路的构建套件，” 莱斯大学生物工程与生物科学助理教授、该研究的通讯作者 Caleb Bashor 表示， “我们的研究结果证明，创建可编程、快速且精确的细胞系统是可能的。”

这项研究代表了合成生物学领域的一项重大突破，可能会彻底改变自身免疫性疾病和癌症等复杂疾病的治疗方法。“这项研究使我们更接近于能够构建‘智能细胞’，这种细胞可以检测疾病迹象并立即释放可定制的治疗方法。”这项研究的主要作者 Xiaoyu Yang 说道。

这项新技术的核心是磷酸化，这是一种正常的细胞过程，通过添加磷酸基团激活蛋白质。磷酸化使细胞能够感知周围环境，并将外部信号转化为内部动作，如运动、分泌、免疫防御或基因表达。

磷酸化是一个连续的过程，它以一系列相互关联的循环展开，从细胞输入（即细胞在其环境中遇到或感知到的事物）到输出（细胞作出的反应）。研究小组意识到级联中的每个循环都可以被视为一个基本单元，这些单元可以以新的方式连接在一起，构建全新的信号通路。

研究人员首先通过以下几个关键步骤构建了具有特定功能的电路，实现了从细胞外信号感知到细胞内响应的信号传导过程。

利用信号蛋白结构模块性，开发一个蛋白质域部分集，设计合成靶向激酶（synKins）与底物蛋白（synSubs），构建磷酸化循环基本单位；使用工程化 SH2 结构域连接两个磷酸化循环，构建“磷酸化偶联”（PC）蛋白，形成网络；构建合成受体支架，实现受体耦合，并组合电路模块，添加核定位与输出序列，构建能感知细胞外信号并转化为细胞内响应的电路。

研究人员最初并不确定，这种完全由工程蛋白质组成的电路是否能够像人体细胞中的天然通路一样平稳、快速地运作。然而，经过大量的合作和实验，他们最终发现这些合成电路的表现与天然系统不相上下。

在研究过程中，研究人员还展示了合成电路能够复制天然磷酸化级联反应的一个重要特性：将微弱的输入信号放大为强烈的反应。例如，在两步电路架构中，通过调整 PC 与 SH2-synSub 的比例和 synPhos 的活性，可以实现下游 synSub 磷酸化>10 倍变化。这一特性可以确保信号在传递到下游时仍然具有足够的强度和有效性。这对于构建多级信号网络尤为重要，因为它能够克服信号衰减的问题，使信号能够在复杂的细胞环境中稳定传递。

为了展示其在实际应用中的潜力，研究人员展示了他们的磷酸化基础电路如何检测和响应外部信号，例如炎症分子。比如，研究人员设计了一种能够感知肿瘤坏死因子-α（TNF-α）并响应分泌白细胞介素- 10（IL-10）的电路。在与激活的 T 细胞共培养实验中，该电路能够有效抑制 T 细胞的增殖，并调节细胞因子的水平。从而展现了该方法在抗炎治疗方面的应用可能性。

除此之外，新方法的一个显著优势是其快速性。许多现有的合成电路依赖于更慢的过程，如基因转录，这需要几个小时才能启动，而磷酸化过程可以在几秒到几分钟内发生，这意味着这些工程电路可以迅速对变化的生理条件做出反应，例如炎症信号的快速变化，从而实现更高效精准的调控。

莱斯大学合成生物学研究所主任 Caroline Ajo-Franklin 将这项工作视为莱斯正在进行的开创性研究的代表。她指出，过去二十年中，合成生物学家已经擅长调整细菌对环境的缓慢、渐进反应。这项研究成果却将我们带入了一个新的前沿领域，即尝试控制哺乳动物细胞对变化条件的即时反应。

相信随着这项技术的不断发展，智能细胞有望在多个领域发挥重要作用。例如，在自身免疫疾病的治疗中，智能细胞可以实时监测炎症水平，并在炎症加剧时释放抗炎药物，从而避免了传统药物治疗中的副作用和不稳定性；在癌症治疗中也可以感知肿瘤标志物，并针对性地释放抗癌药物，减少对正常细胞的损害。

参考文献：

1.https://www.synbiobeta.com/read/inside-the-smart-cell-revolution-new-circuits-new-possibilities

2.https://www.eurekamagazine.co.uk/content/news/rice-university-develops-major-breakthrough-for-smart-cell-design

3.https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm8485

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