在一項新的研究中，來自斯洛文尼亞國家化學研究所的研究人員開發出一種新方法來調節人細胞應答，使得細胞在數分鍾而非數小時內對細胞外部的刺激作出應答。他們認為他們的係統可能用於各種醫療應用。相關研究結果發表在2019年2月的Nature Chemical Biology期刊上，論文標題為“Design of fast proteolysis-based signaling and logic circuits in mammalian cells”。
鑒於細胞的功能是建立在大量過程的基礎上的，這些過程共同作用來檢測和響應各種刺激。控製細胞應答在細胞療法中起著重要的作用，這是因為這能夠提高它的效率和安全性。合成生物學將細胞視為我們能夠根據我們的需求進行編輯和重編程的機器或計算機。雖然基因工程取得的進展已經允許對生物輸入和化學輸入進行精確感知和對這些輸入作出的響應進行編程，但是在此之前，細胞內的較慢信息處理速度仍然是一個主要障礙。在這項新的研究中，這些研究人員報道他們能夠在幾分鍾而不是幾小時內檢測出細胞對編程性輸入(programmed input)作出的應答。
論文共同第一作者、斯洛文尼亞國家化學研究所合成生物學與免疫學係博士生Tina Fink說，“通常而言，生物電路(biological circuit)是以基因表達調節為基礎的。這意味著環境中的任何輸入或變化首先都會激活基因轉錄，即DNA經轉錄後產生RNA，隨後RNA經翻譯後產生蛋白。這個過程可能需要幾個小時。另一方麵，我們的係統建立在已存在於細胞中的蛋白進行處理的基礎之上，這就允許我們能夠規避緩慢的轉錄和翻譯過程。”
控製蛋白活性的兩個重要過程是蛋白裂解和蛋白組裝成更高級複合物。比如，科學家們經常將熒光素酶蛋白分成兩部分，這兩個部分能夠相互作用，從而產生一種功能性複合物來催化產生光的反應。論文通訊作者、斯洛文尼亞國家化學研究所合成生物學與免疫學係主任Roman Jerala博士說，“我們的團隊使用蛋白酶(在特定位置切割其他蛋白的蛋白)並將它們與卷曲螺旋結合起來，其中卷曲螺旋作為一種分子拉鏈起作用，允許受控的蛋白偶聯。這些蛋白酶受到修飾使得它們僅在存在確定的化學信號或光的情況下才有活性。這些蛋白酶誘導切割，接著對靶蛋白進行重排，並且對信息的準確加工能夠通過光測量檢測到。通過這種方式，我們能夠打開和關閉蛋白的活性。”
盡管所有實驗都將光發射測量為功能輸出，但是這項研究的最終目標是控製醫學上重要的蛋白的分泌，比如胰島素，參與防禦病原體的蛋白，或者參與凝血級聯反應的蛋白。論文共同第一作者Jan Lonzarić博士(當前在美國麻省理工學院從事博士後研究)說，在解決響應速度之後，這個係統的下一個重要的特性是設計平行或順序反應的能力，比如邏輯門或級聯反應。“我們用來控製蛋白組裝的蛋白酶也能夠用同樣的方式加以控製，僅需使用另一種蛋白酶。我們成功地展示了一種三層級聯反應和邏輯門，從而允許對各種輸入的組合進行編程性應答。”
僅在這項新的研究發表前幾周，來自美國加州理工學院的一個研究團隊在Science期刊上發表了一篇論文：在蛋白酶的幫助下實現人細胞激活。Lonzarić認為，由不同大學和研究所發表的論文證實“我們已解決了一個重要問題，並找到了一個強有力的解決方案”，而Jerala補充道，“這兩種設計之間的差異讓我們的係統更快更容易在不同的細胞類型中使用”。
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