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核酸分子工程与纳米技术实验室

SCIENCE丨蛋白逻辑门的从头设计

作者:张铭芷

20世纪90年代以来,对实现生物智能和分子计算机的探索从未止步。以脱氧核糖核酸(DNA)为材料创建逻辑电路的方法已为我们熟知,这使得我们思考其他生物大分子能否依照类似的设计方法创建生物逻辑电路。

David Baker团队专注于大分子结构的相互作用和功能预测设计,在计算蛋白质设计和蛋白质结构预测方面处于世界领先的地位。在近期的《科学》杂志中报道了其运用多肽链实现逻辑门运算。在细胞中,信号的转导主要通过蛋白-蛋白相互作用实现,我们可以设想以多肽链作为材料创建的逻辑元件会有较好的生物兼容性。

该研究工作采用了从头设计的蛋白质构建两个输入的AND,OR,NAND,NOR,XNOR和NOT门的设计,并将这些模块化控制元件应用于体外和酵母细胞中调节转录机制和分裂酶元件的关联。

蛋白质相互作用是天然的逻辑电路,以往选择使用蛋白质创建逻辑电路大多采用DNA水平,转录水平或RNA水平的控制。由于他们只能通过有限构建块组成,限制了元件及电路的可扩展性。因此,作者选用了从头设计的方法,可调节任意蛋白-蛋白相互作用从而规避限制可扩展性的问题。

与DNA逻辑电路类似,该工作中蛋白质逻辑电路的设计思路也是使用了由氢键介导的特异性蛋白异二聚体来满足四个条件的逻辑门的可能:1.应有许多相互正交的异二聚体对,使得门的复杂度不会受单个元素数量的限制;2.构建应是模块化的,并且在结构上相似,使得在创建逻辑门时不必考虑构建形状和其他特性的差异;3.单个元件应能绑定到具有不同可调亲和力的其他元件,从而允许执行求反操作;4.相互作用应当为协同,以使得门激活对输入中的化学计量失衡不敏感。

 

(蛋白逻辑门元件结构示意图及功能实现过程示意图)

原则上,需采用一组异二聚体分子从头设计各种逻辑门。对于给定的异二聚体对1:1’,2:2’和3:3’,可以通过遗传融合1’和2以及2’和3来构建1与3’的关联AND门,因为这种缔合仅在同时存在1’-2和2’-3的情况下发生。采用该策略,实现两输入逻辑门的部分示意图如下图所示。

 

(AND/OR/NOT逻辑门的实现)

作者还验证了逻辑门三输入的实现,验证了组合逻辑电路的可能。最后作者使用其设计的蛋白逻辑电路体系尝试在酵母细胞中实现控制NanoBi拆分荧光素酶系统的两半之间的结合来重构拆分酶活性的能力,以验证逻辑门的可传递性和可转移性:即运用逻辑门传递信息,并实现不同的功能。

 

(应用示例:NOT逻辑门控制)

最后,作者举例展示了在原代人T细胞中可以利用该逻辑电路系统实现控制TIM3基因的表达,并以此调控细胞疲劳。这种模块化、可协同、可调控的逻辑门电路系统,结合从头设计的策略可实现近乎任意调控元件设计,结合文中列举的应用场景示例,可供启发基于生物分子的逻辑电路用于医学检测、治疗方法等的研究和开发。

 

Zibo Che et al. De novo design of protein logic gates. Science2020, 368, 6486, pp. 78-84. DOI: 10.1126/science.aay2790

2020年6月19日 09:30
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