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       合成生物學提供了一種方法來改造細胞以執行新的功能，比如當它們檢測到某種化學物時發出熒光。通常情況下，這是通過改變細胞使其表達可被某種輸入觸發的基因來實現的。然而，由于細胞轉錄和翻譯必要的基因需要時間，在檢測分子等事件和由此產生的輸出之間往往有很長的滯后期。
      如今，在一項新的研究中，來自美國麻省理工學院的研究人員開發出一種設計此類合成電路的替代方法，它完全依賴于快速、可逆的蛋白-蛋白相互作用。這意味著不需要等待基因被轉錄或翻譯成蛋白質，因此合成電路可以更快地被打開--在幾秒鐘之內。相關研究結果發表在2021年7月2日的Science期刊上，論文標題為“An engineered protein-phosphorylation toggle network with implications for endogenous network discovery”。論文通訊作者為麻省理工學院生物工程教授Ron Weiss。

       論文第一作者、麻省理工學院生物工程系副研究員Deepak Mishra說，“我們現在有一種方法來設計在非常快的時間尺度下發生的蛋白相互作用，之前沒有人能夠系統地開發這種方法。我們正在達到能夠以幾秒或更少的時間尺度設計任何功能的程度。”這些作者說，這類合成電路可能用于制造環境傳感器或診斷系統，以揭示疾病狀態或即將發生的事件，如心臟病發作。

蛋白相互作用
      在活細胞內，蛋白-蛋白相互作用是許多信號傳導途徑的重要步驟，包括那些參與免疫細胞激活和對激素或其他信號作出反應的信號傳導途徑。這些相互作用中有許多涉及一種蛋白通過添加或去除稱為磷酸的化學基團來激活或滅活另一種蛋白。
      在這項新的研究中，這些作者使用酵母細胞來承載他們的合成電路，并創建了一個由14種蛋白組成的網絡，這些蛋白來自包括酵母、細菌、植物和人類在內的物種。他們修改了這些蛋白，使它們能夠在網絡中相互調節，以產生響應特定事件的信號。
      他們的網絡是第一個完全由磷酸化/去磷酸化蛋白-蛋白相互作用組成的合成電路，被設計成一種切換開關--一種能夠在兩個穩定狀態之間快速和可逆地切換的電路，使其能夠“記住”一個特定的事件，如接觸某種化學物。在這種情況下，靶標是山梨醇，即一種在許多水果中發現的糖醇。
      一旦山梨醇被檢測到，細胞就會以定位于細胞核中的熒光蛋白的形式儲存關于這次暴露的記憶。這種記憶也會傳遞給未來的細胞后代。這種電路也可以通過暴露于不同的分子---在這種情況下，一種叫做異戊烯基腺嘌呤（isopentenyl adenine）的化學物---而被重置。
     這些電路網絡也可以被編程，以響應輸入而執行其他功能。為了證明這一點，這些作者還設計了一個電路，它在檢測到山梨醇后關閉了細胞的分裂能力。
     通過使用這些細胞的大型陣列，他們可構建超靈敏的傳感器，對低至十億分之一的目標分子濃度做出反應。鑒于快速的蛋白-蛋白相互作用，信號可以在短短一秒鐘內被觸發。使用傳統的合成電路，可能需要幾個小時甚至幾天才能看到輸出。Weiss說，“這種極快速度的轉換將對合成生物學的發展和擴大可能的應用類型非常重要。”

復雜網絡
      這些作者在這項研究中設計的切換網絡比以前設計的大多數合成電路更大、更復雜。一旦他們建立了它，他們想知道是否有任何類似的網絡可能存在于活細胞中。利用他們設計的一種計算模型，他們在酵母中發現了六個自然發生的、復雜的切換網絡，這在以前是從未見過的。

一種新型的合成生物電路可以在幾秒鐘內啟動，比同類產品快得多。圖片來自Massachusetts Institute of Technology。