用工程信号通路构建合成生物电路的新方法

麻省理工学院研究人员已经找到了一种方法来产生许多不互相交谈的信号传导蛋白或在细菌细胞中发现的天然存在的信号蛋白质。

在活细胞内，许多重要信息通过蛋白质之间的相互作用传达。对于这些信号来精确继承，每种蛋白质必须仅与其特定伴侣相互作用，避免了不需要的串扰与任何类似的蛋白质。

一个新的麻省理工学院研究揭示了细胞如何防止这些蛋白质之间的串扰，并且还表明，仍然存在大量可能的蛋白质相互作用，即细胞尚未用于信号传导。这意味着合成生物学家可以产生新的蛋白质对，该蛋白质可以充当诊断疾病的诸如诊断疾病的应用的人造电路，而不会干扰细胞的现有信号通路。

“使用我们的高吞吐量方法，您可以生成特定互动的许多正交版本，允许您查看可以建立该蛋白质复合物的不同绝缘版本，”Conor McClune说，MIT研究生和领导作者研究。

在今天（2019年10月23日）本质上发表的新论文中，研究人员生产了新颖的信号蛋白对，并证明了它们如何用于通过工程将新信号链接到新的输出。在遇到特定植物激素后产生黄色荧光的肠道。

迈克尔洗衣店是一位生物学的麻省理工学院教授，​​是该研究的高级作者。其他作者最近是麻省理工学院毕业生Aurora Alvarez-Buylla和Christopher Voigt，Daniel I.C.王先生的先进生物技术教授。

新组合

在这项研究中，研究人员专注于一种称为双组分信号传导的信号传导途径，其在细菌和一些其他生物中发现。各种各样的双组分途径通过一种过程演变，其中细胞对它们已经存在的信号传导蛋白的基因重复基因，然后突变它们，从而产生类似蛋白质的家族。

“本质上有利于生物能够相当巨大地扩展这一少数信令系列，但它运行了你将在这些系统之间具有串扰的风险，这是非常相似的，”洗衣兄弟说。“然后它成为细胞有趣的挑战：您如何维护信息流的保真度，以及将特定输入对特定输出进行特定输入如何？“

这些信令对中的大多数由称为激酶及其基底的酶组成，其被激酶激活。细菌可以具有数十种或甚至数百种这些蛋白质对中继不同信号。

大约10年前，洗衣表明，细菌激酶和它们的基材之间的特异性由每个合作蛋白中的每一个中的五个氨基酸确定。这提出了细胞已经已经用完的问题，或者正在接近使用，所有可能的独特组合不会干扰现有途径。

来自其他实验室的一些以前的研究表明，可能互相干扰的可能性相互作用可能不多，但证据并非明确。麻省理工学院的研究人员决定采取系统的方法，其中它们开始与一对现有的大肠杆菌信号蛋白，称为phoq和phop，然后引入确定其特异性的区域中的突变。

这产生了超过10,000对蛋白质。研究人员测试了每个激酶，看看它们是否会激活任何底物，并鉴定约200对相互作用，而不是母体蛋白，其他新颖对或任何其他类型的激酶底物系列。大肠杆菌。

“我们发现的是，找到工作的组合很容易，两种蛋白质相互作用以转移信号，并且他们不会与细胞内的其他任何东西交谈，”洗衣兄弟说。

他现在计划尝试重建导致细胞使用的某些蛋白质对的进化历史，而许多其他可能的组合并不自然地发展。

合成电路

研究人员说，本研究还提供了一种基于蛋白质对创造新的合成生物电路的新策略，这些蛋白质对不会与其他细胞蛋白质串扰。为了证明可能性，他们服用了它们的新蛋白质对并改性激酶，使其被称为Trans-Zeatin的植物激素激活，并设计基材，使得当激酶活化时它会呈黄色。

“这表明我们可以克服将合成电路放入单元中的挑战之一，即该细胞已经填充了信号蛋白，”Voigt说。“当我们尝试在物种之间移动传感器或电路时，一个最大的问题是它会干扰已经存在的途径。“

这种新方法的一个可能的应用是设计检测其他微生物的存在的电路。这种电路对于产生可能有助于诊断传染病的益生菌进行有用。

“细菌可以设计出来感受和响应他们的环境，具有广泛的应用，例如”智能“肠道细菌，可诊断和治疗炎症，糖尿病或癌症，或维持适当的氮水平和消除肥料的土壤微生物。为了建立这种细菌，合成生物学家需要遗传编码的“传感器”，“赖斯大学生物工程和生物科学副教授Jeffrey Tabor说。

“合成生物学的主要局限性之一是我们在新生物体中失败的遗传零件是我们不明白的原因（如串扰）。本文展示的是重新设计的很多空间，以便这种情况不会发生这种情况，“塔博尔说，博尔斯说，谁没有参与研究。

如果适用于人体细胞，这种方法也可以帮助研究人员设计用于编程人体T细胞以破坏癌细胞的新方法。这种类型的治疗被称为Car-T细胞疗法，已被批准治疗一些血液癌症，也为其他癌症开发。

虽然所涉及的信号蛋白与本研究中的信号蛋白不同，但相同的原则适用于治疗性依赖于我们服用工程蛋白质并将它们放入新型基因组背景下的能力，并希望他们不会干扰麦克雷恩说，有途径已经在细胞中。

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参考：“工程正交信令途径揭示了序列空间的稀疏占用率”，由Conor J. McClune，Aurora Alvarez-Buylla，克里斯托弗A. Voigt和Michael T. Thub，2019年10月23日，Nature.Doi：
10.1038 / s41586-019-1639-8

该研究由霍华德休斯医学院，海军研究办公室和国家卫生研究院资助。