Sumber: Qubit
Artikel ini adalah tentang 2684 kata , Dianjurkan untuk membaca 6 menit
Artikel ini memperkenalkan tim peneliti dari University of Washington yang menggunakan protein buatan untuk membuat gerbang logika molekuler dari awal, dan menyadari gerbang AND dengan input ganda dan tiga input, gerbang OR, gerbang NAND, gerbang NOR, gerbang XOR, dll.
Kehidupan berbasis silikon berada di luar jangkauan, tetapi sirkuit berbasis karbon ada di sana-sini.
Ternyata protein juga dapat membuat unit dasar komputer Seperti sirkuit berbasis silikon, "sirkuit protein" ini dapat digabungkan untuk merancang berbagai sirkuit logika.
Sejak saat itu, kita dapat mengontrol proses kehidupan protein dengan cara yang sama seperti mengontrol sakelar sirkuit.
Tim peneliti dari Universitas Washington menggunakan protein buatan untuk membuat gerbang logika molekuler dari awal, dan merealisasikan gerbang AND dengan input ganda dan tiga input, gerbang OR, gerbang NAND, gerbang NOR, gerbang XOR, dan seterusnya.
Penelitian ini muncul dalam edisi terbaru Science.
Di sirkuit silikon, berarti level tinggi 1, dan level rendah berarti 0. Protein yang dirancang dengan cerdik, seperti rangkaian sinyal 01, mencapai fungsi tertentu melalui serangkaian kombinasi yang berbeda.
Tujuan utama mereka bukanlah untuk membangun komputer protein, tetapi untuk menggunakan gerbang logika untuk mengatur ekspresi gen dalam sel T manusia, sehingga sel T yang dimodifikasi secara genetik dapat hidup lebih lama dan meningkatkan keamanan dan ketahanan terapi sel kanker.
Penulis makalah tersebut mengatakan bahwa kompleksitas desain protein baru dekat dengan perakitan protein yang sebenarnya.
(Penelitian ini) adalah langkah kunci dalam pemrograman sirkuit biologis yang kompleks.
Apalagi, menurut Chen Zibo, tim sudah mulai mempelajari apakah metode ini bisa digunakan untuk membentuk sirkuit bertingkat.
Gunakan gerbang logika untuk mengontrol fungsi biologis
Masukan dasar dari rangkaian protein dikendalikan oleh CIPHR (heterodimer protein yang diinduksi secara kooperatif).
Yang disebut CIPHR adalah polimer dari dua protein berbeda, yang masing-masing berhubungan dengan masukan pada posisi tertentu. Kombinasi yang berbeda setara dengan 1 di posisi sirkuit yang berbeda.
Gerbang logika CIPHR bersifat portabel, yang juga berarti kita dapat menggunakan gerbang logika untuk mengontrol berbagai fungsi biologis.
Dalam percobaannya, peneliti merancang empat pasang modul heterodimer dan membangun dua gerbang logika dengan fungsi kontrol yang berbeda. Satu digunakan untuk mengisolasi aktivitas katalitik luciferase, dan yang lainnya digunakan untuk ekspresi gen dalam sel T manusia primitif.
Dalam sistem untuk mengontrol luciferase, mereka menyematkan protein pada situs nano yang sesuai, dan menguji apakah gerbang logika dibuka dengan terjemahan in vitro dan pemantauan luminesensi.
Gerbang logika yang mengontrol ekspresi gen sel T kekebalan manusia diserahkan ke sistem penekan TALE-KRAB yang terisolasi.
Jika Anda menggunakan heterodimer, selama Anda memasukkan (1), itu akan menghasilkan penghambatan (0), yang setara dengan gerbang NOT.
Jika monomer protein digunakan, selama protein apa pun masuk (1), ia akan menghancurkan ikatan TALE-KRAB asli dan membatalkan penghambatan (1), dengan demikian menyadari fungsi gerbang OR.
Gerbang NOT dan gerbang OR digunakan untuk mengontrol ekspresi protein TIM3 dalam sel T manusia, yang dideteksi oleh flow cytometry.
Di atas hanya kasus dua input, sama halnya jika input ditingkatkan menjadi 3 saluran. Tetapi lebih banyak dimer digunakan, dan lebih banyak protein digunakan di dalam gerbang logika.
Untuk gerbang AND 3 arah, 4 pasang protein dibagi, dan ada 1 dan 2 di gerbang logika. Hanya jika 1-4 , 4-3, dan 3-2 dimasukkan pada saat yang sama untuk membentuk 1: 1-4 : 4-3: 3-2: 1 barulah gerbang logika dapat diaktifkan.
Prinsip dari gerbang masukan OR serupa.
Meskipun penggunaan protein untuk mendesain gerbang logika telah lama ada, modul heterodimer adalah teknologi baru yang memanfaatkan desain protein de novo.
Dengan mendesain ulang modul protein, lebih banyak komponen gerbang logika dengan topologi keseluruhan yang hampir sama dapat diproduksi.
Pengkodean spesifik jaringan ikatan hidrogen protein memungkinkan monomer dengan struktur serupa memiliki afinitas pengikatan yang luas, yang pada gilirannya memungkinkan pembangunan gerbang yang lebih kompleks berdasarkan pengikatan kompetitif.
Karena komponen desain gerbang logika adalah protein yang sangat stabil, tidak diperlukan struktur mekanis seluler tambahan.Gerbang logika protein dapat bekerja terlepas dari apakah itu di dalam atau di luar sel.
Chen Zibo, penulis pertama artikel tersebut, berkata: "Kami telah membuktikan fungsinya dengan ekstrak bebas sel, sel ragi dan komponen yang dimurnikan dari sel T.
Bagaimana cara mendesain?
Jadi, bagaimana "sirkuit berbasis karbon" dirancang secara khusus?
Pada prinsipnya, sekumpulan molekul heterodimer dapat digunakan untuk mendesain berbagai gerbang logika dari awal.
Misalnya, diberikan pasangan heterodimer A dan A ', B dan B', serta C dan C '. Dengan menggabungkan secara genetik A 'dan B, serta B' dan C, gerbang AND yang mengatur hubungan antara A dan C 'dapat dibangun.
Kondisi yang terlibat adalah:
Pertama, harus ada banyak pasangan heterodimer yang ortogonal satu sama lain, sehingga kompleksitas gerbang tidak dibatasi oleh jumlah elemen individu.
Kedua, komponen harus modular dan serupa dalam struktur.
Ketiga, satu komponen harus memiliki kemampuan untuk digabungkan dengan beberapa mitra yang berbeda dan dapat disesuaikan afinitas, sehingga masukan dapat melakukan operasi inversi dengan mengganggu interaksi afinitas rendah yang sudah ada sebelumnya.
Keempat, interaksi harus kooperatif, sehingga aktivasi gerbang tidak peka terhadap ketidakseimbangan stoikiometri pada input.
Secara khusus dalam penelitian ini, untuk memenuhi kondisi 1, peneliti menggunakan seperangkat heterodimer dengan spesifisitas yang dimediasi oleh jaringan ikatan hidrogen dan desain yang saling ortogonal untuk membangun gerbang logika.
Antarmuka heterodimer memiliki 4 topologi bundel heliks yang sama untuk memenuhi kondisi 2.
Antarmuka interaksi bersama membatasi jumlah crosstalk antara pasangan heterodimer, sehingga hierarki afinitas pengikatan dapat memenuhi ketentuan 3.
Akhirnya, kondisi 4 dipenuhi dengan membangun fusi monomer (A 'dan B, B' dan C yang disebutkan dalam contoh di atas).
Selanjutnya sistem A + A'-B + B'is disebut dimerisasi terinduksi, A dan B'disebut monomer, dan A'-B disebut dimer.
Diagram skematis dari sistem dimerisasi terinduksi (linker 6-residu) adalah sebagai berikut.
Dalam percobaan, dimer menunjukkan ikatan sinergis.
Oleh karena itu, dengan menggunakan nMS, para peneliti mengeksplorasi kooperativitas dari gerbang AND (AND) input ganda yang terdiri dari dua dimer 1'-3 dan 3-2 'dan monomer 1 dan 2 sebagai input.
Dalam percobaan tersebut, para peneliti hanya mengamati sejumlah kecil heterotrimer dan heterodimer, yang selanjutnya membuktikan bahwa metode tersebut memiliki sinergi yang tinggi.
Para peneliti juga membangun gerbang AND dengan tiga input berukuran 1'-4 ', 4-3', 3-2 '. Hasilnya mirip dengan gerbang AND input kuantitatif. Kelimpahan kompleks pentamer lengkap hanya lebih besar dari pada input kimia. Konsentrasi konsentrasi terukur turun sedikit.
Atas dasar ini, para peneliti membangun berbagai gerbang logika CIPHR berdasarkan 2-masukan dan 3-masukan.
Metode spesifiknya adalah setiap monomer DHD terhubung ke protein efektor target melalui fusi genetik, sehingga input (subunit heterodimer terhubung) mengontrol lokalisasi atau disosiasi protein efektor.
Gerbang logika dibangun melalui ikatan homolog antara pasangan protein yang dirancang dan ikatan kompetitif yang melibatkan interaksi multispecific.
Memperpanjang umur sel imun
Sekarang, kita dapat mengontrol kehidupan pada tingkat molekuler dengan cara yang sama seperti komputer, yang sangat penting bagi pengobatan masa depan dan biologi sintetik.
Tim peneliti dari University of Washington telah memulai langkah penelitian selanjutnya, bersiap untuk menggunakan teknologi ini dalam pengobatan kanker.
Terapi yang ditargetkan untuk pengobatan kanker terapi sel CAR-T memiliki banyak kesulitan, yang diyakini para ilmuwan terkait dengan kegagalan sel T.
Yang disebut sel CAR-T adalah sel T reseptor antigen chimeric, dan reseptor antigen chimeric adalah protein yang direkayasa secara biologis. Para ilmuwan mengekstrak sel T dari tubuh manusia, menggunakan teknologi genetik untuk memodifikasinya agar secara khusus menargetkan antigen permukaan sel kanker, dan kemudian memasukkannya kembali ke dalam tubuh pasien.
Namun sel T yang dimodifikasi secara genetik hanya dapat bertahan dalam waktu yang singkat. Tim peneliti di University of Washington berharap penggunaan gerbang logika protein yang menipiskan respons sinyal dapat memperpanjang aktivitas sel CAR-T.
Chen Zibo mengatakan bahwa menggunakan metode pemrograman untuk membuat sel T yang berumur panjang untuk setiap pasien berarti akan lahir obat-obatan pribadi yang lebih efektif.
Tentang Penulis
Tahun ini Chen Zibo berusia 29 tahun dan merupakan rekan postdoctoral di laboratorium Elowitz di California Institute of Technology. Arah penelitiannya saat ini adalah membangun sirkuit logika dari awal menggunakan protein.
Dia lulus dari National University of Singapore dengan gelar sarjana dalam ilmu kehidupan dan menerima gelar Ph.D. dari University of Washington pada 2019. Tahun lalu, dia juga dipilih oleh Massachusetts Institute of Technology Review 35 di bawah 35.
Penulis koresponden David Baker, profesor biokimia di Fakultas Kedokteran Universitas Washington dan direktur Institut Desain Protein.
Perlu disebutkan bahwa David Baker juga salah satu penulis game desain protein Foldit. Protein yang dirancang oleh Foldit telah berkali-kali dikutip oleh peneliti ilmiah dan sekarang digunakan untuk merancang melawan virus corona baru.
Alamat kertas: https://science.sciencemag.org/content/368/6486/78
-Selesai-
Ikuti platform publik WeChat resmi dari Institut Ilmu Data Tsinghua-Qingdao " Pai Data AI "Dan nomor saudara perempuan" Data Pie THU "Dapatkan lebih banyak manfaat kuliah dan konten berkualitas.
- Tim AI Tsinghua meluncurkan platform keamanan AI untuk menipu algoritme bagian atas dan kemudian memperbaiki kerentanan dengan kuat
- Robot kecil membantu mengambil! Taman Sains dan Teknologi Zhongguancun Dongsheng, "senjata pencegahan" ini membantu melanjutkan pekerjaan dan produksi
- Pipa pemanas tidak panas, pipa air bocor ... "tim parkour" komunitas memperbaiki lebih dari 1.000 kali dalam 60 hari
- Bagaimana Anda mengevaluasi "Properti Sains dan Inovasi" dari Dewan Inovasi Sains dan Teknologi? Panduan SFC ada di sini
- Chen Yixin: Perang pertahanan Wuhan telah memasuki tahap baru pertempuran dan kemenangan yang menentukan