生物工程师们创造了一种新的工具包，用于在人体细胞中构建自定义电路，这些电路能够感知并响应各种刺激。这项开创性的研究有潜力改变治疗复杂疾病（如自身免疫疾病和癌症）的方法。
来自莱斯大学的研究人员推出了一种创新的构建工具包，旨在在人类细胞内制作自定义的感知和响应电路。他们的研究成果发表在《科学》杂志上，标志着合成生物学的一项重大进展，可能改变我们对待复杂疾病（如自身免疫疾病和癌症）治疗的方法。
莱斯大学系统、合成和物理生物学博士项目的研究生兼该研究的主要作者Yang Xiaoyu解释道：“想象一下，微小的基于蛋白质的处理器驻留在细胞内，能够‘决定’如何响应特定信号（如炎症、肿瘤生长指示或血糖水平）。”他补充说：“这项研究使我们更接近于创造能够检测疾病并迅速提供个性化治疗的‘智能细胞’。”
这种设计人工细胞电路的新方法利用了磷酸化，一种自然的细胞反应机制，其中磷酸基团被添加到蛋白质上。这个过程对于各种细胞功能至关重要，包括将外部信号转换为内部响应——如运动、物质分泌、病原体反应或基因表达。
在多细胞生物中，利用磷酸化的信号传递通常遵循复杂的多步骤链反应，恰似多米诺骨牌的倒下。以往尝试在人体细胞中利用这一机制进行治疗应用时，通常集中在重新工程现有的信号通路。然而，这些通路的复杂性限制了它们的可用性。
幸运的是，得益于莱斯大学的这项新研究，在不久的将来，通过磷酸化创新推动“智能细胞”工程的进步令人充满希望。此次突破的关键在于研究人员对这一过程的看法的变化：
他们认识到，磷酸化是以逐步的方式发生的，伴随着互联的循环，从细胞输入（细胞所遇到或感知到的环境）导航到输出（细胞的反应）。研究团队发现并证明，级联中的每个循环可以视为一个基本单元，从而使这些单元能够以新颖的方式连接在一起，形成全新的路径，将细胞输入与输出连接起来。
生物工程和生物科学助理教授、该研究的通讯作者Caleb Bashor指出：“这大大扩展了设计信号电路的范围。我们发现磷酸化循环不仅是互联的，而且可以以我们之前未曾想到的复杂程度互联。”
“我们的设计方法使我们能够创建高度可调的合成磷酸化电路，这些电路可以与细胞自身的机制并行操作，而不干扰细胞的生存或生长速度。”
虽然这看起来似乎简单，但确定如何构建、连接和微调这些单元，包括设计内部和外部输出，实际上是相当具有挑战性的。此外，合成电路在活细胞内创建和成功运作并不是有保障的。
Yang分享道：“我们并不完全确定我们的合成信号电路（仅由工程化蛋白质组分组成）是否会以与人体细胞中的自然信号通路相同的速度和效率运行。我们感到惊喜的是，它们确实如此。这需要大量的合作和努力才能成功。”
模块化的、DIY的细胞电路设计方法成功复制了自然磷酸化级联反应的一个关键系统特征：将微弱输入信号放大为显著输出的能力。实验观察确认了团队的预测模型，强调了新框架在合成生物学中的潜在重要性。
这一新的细胞电路设计方法的另一个重大好处是，磷酸化迅速发生，通常只需几秒钟或几分钟。因此，合成磷酸信号电路可以被编程以响应在相似时间框架内发生的生理事件。相比之下，许多早期的合成电路设计依赖于分子过程（如转录），这些过程可能需要几个小时才能激活。
研究人员还评估了电路对外部信号（如炎症因子）的敏感性和响应性。为了展示实践应用的潜力，团队设计了一种能够检测这些炎症因子的细胞电路，这可以用于管理自身免疫发作并减轻与免疫疗法相关的毒性。
副主任Bashor表示：“我们的发现确认了在人体细胞中构建可编程电路以迅速准确地响应信号是可行的，这是首次报告关于工程合成磷酸化电路的工具包。”他同时也是莱斯合成生物学研究所的副主任。该研究所今年早些时候成立，旨在利用莱斯在合成生物学方面的重大专业知识，推动协作研究倡议。
研究所所长Caroline Ajo-Franklin强调，这项研究展示了莱斯在合成生物学领域正在进行的变革性研究。
Ajo-Franklin，这位生物科学、 bioengineering、化学与生物分子工程教授以及德克萨斯州癌症预防与研究院的学者表示：“如果合成生物学家在过去二十年中一直在探索如何操控细菌对环境变化的逐步响应，那麽Bashor实验室的工作则将我们推进到一个新的时代——管理哺乳动物细胞对变化的即时响应。”
