大家好，今天来为大家解答中国年轻学者的研究成果发表在《科学》杂志上，利用蛋白质逻辑门将细胞变成计算机这个问题的一些问题点，包括也一样很多人还不知道，因此呢，今天就来为大家分析分析，现在让我们一起来看看吧！如果解决了您的问题，还望您关注下本站哦，谢谢~

华盛顿大学的研究团队利用人工蛋白质从头开始创建分子逻辑门，实现了二输入和三输入与门、或门、与非门、或非门、异或门等。

这项研究发表在最新一期的《科学》杂志上。

在硅电路中，高电平代表1，低电平代表0。巧妙设计的蛋白质就像一串01信号，通过一组不同的组合实现特定的功能。

他们的最终目标不是建造蛋白质计算机，而是利用逻辑门来调节人类T细胞的基因表达，使转基因T细胞寿命更长，并提高癌细胞治疗的安全性和持久性。

论文作者表示，新蛋白质设计的复杂性接近真实蛋白质聚集体的复杂性。

（这项研究）是复杂生物电路编程的关键一步。

而且，据第一作者陈子博介绍，团队已经开始研究这种方法是否可以用来形成多电平电路。

用逻辑门控制生物功能

蛋白质回路的基本输入由CIPHR（协同诱导蛋白质异二聚体）控制。

所谓CIPHR是两种不同蛋白质的聚合体，每种蛋白质都对应特定位置的输入。不同的组合对应电路中不同位置的1。

CIPHR的逻辑门是可移植的，这也意味着我们可以使用逻辑门来控制不同的生物功能。

实验中，研究人员设计了四对异二聚体模块，构建了两个具有不同控制功能的逻辑门。一种用于分离荧光素酶的催化活性，另一种用于在初始人类T 细胞中进行基因表达。

在控制荧光素酶的系统中，他们将蛋白质嵌入相应的纳米位点，并通过体外翻译和监测发光来测试逻辑门是否打开。

控制人类免疫T细胞基因表达的逻辑门被交给了分离的TALE-KRAB抑制系统。

如果使用异二聚体，只需输入（1）就会导致抑制（0），相当于非门。

如果使用蛋白质单体，只要任何蛋白质进入（1），原有的TALE-KRAB结合就会被破坏，取消对（1）的抑制，从而实现或门的功能。

NOT门和OR门用于控制人T细胞中TIM3蛋白的表达，通过流式细胞术检测。

上面只是两个输入的情况。如果输入增加到3通道，情况类似。但使用了更多的二聚体，逻辑门内部使用了更多的蛋白质。

对于三路与门，共享4对蛋白质，逻辑门中有1和2’。只有同时输入1’-4’、4-3’、3’-2，形成1:1’-4’:4-3’:3’-2:1，逻辑门才能被激活。

3输入或门的原理类似。

虽然使用蛋白质设计逻辑门已经存在很长时间，但异二聚体模块是一种利用从头蛋白质设计的全新技术。

通过重新设计蛋白质模块，可以生产更多具有几乎相同整体拓扑的逻辑门组件。

蛋白质氢键网络的特定编码使得具有相似结构的单体之间具有广泛的结合亲和力，这反过来又允许基于竞争性结合构建更复杂的门。

由于逻辑门的设计组件是超稳定的蛋白质，不需要额外的细胞机械结构，因此蛋白质逻辑门可以在细胞内部和外部工作。

“我们已经使用无细胞提取物、酵母细胞和T 细胞的纯化成分证明了其功能，”该文章的第一作者Zibo Chen 说。

如何设计？

那么，这样的“碳基电路”具体是如何设计的呢？

原则上，可以使用一组异二聚体分子从头设计各种逻辑门。

例如，给出异二聚体对A 和A'、B 和B'、C 和C'。通过基因融合A' 和B、B' 和C，可以构建调节A 和C' 之间关联的AND 门。

涉及的条件是：

首先，应该有许多相互正交的异二聚体对，以便门的复杂性不受单个元件数量的限制。

其次，组件应该是模块化的并且结构相似。

第三，单个构建块应该能够结合多个不同的、亲和力可调的伙伴，以便输入可以通过破坏预先存在的低亲和力相互作用来执行否定操作。

第四，相互作用应该是协作的，以便门激活对输入中的化学计量不平衡不敏感。

具体来说，在本研究中，为了满足条件1，研究人员使用了一组具有氢键网络介导的特异性和相互正交设计的异二聚体来构建逻辑门。

异二聚体界面共享相同的4 螺旋束拓扑以满足条件2。

共享的相互作用界面限制了异二聚体对之间的串扰量，使得结合亲和力的层次结构满足条件3。

最后，通过构建单体融合体（上例中提到的A'和B、B'和C）来满足条件4。

下文中，系统A+A'-B+B'将被称为诱导二聚化，A和B'将被称为单体，A'-B将被称为二聚体。

诱导二聚化系统（6-残基连接子）的示意图如下所示。

实验上，二聚体表现出协同结合。

因此，利用nMS，研究人员探索了由两个二聚体1'-3和3-2'组成的双输入与门（AND）以及单体1和2作为输入的协作。

在实验中，研究人员仅观察到极少量的异源三聚体和异源二聚体，进一步证明该方法具有高度的协同作用。

研究人员还构建了一个1'-4'、4-3'、3-2'的三输入与门。结果与定量输入与门类似。完整五聚体复合物的丰度仅大于输入化学品计量浓度的浓度略有下降。

在此基础上，研究人员构建了多种基于2输入和3输入的CIPHR逻辑门。

具体来说，单个DHD 的单体通过基因融合与目标效应蛋白连接，从而允许输入（连接的异二聚体亚基）控制效应蛋白的共定位或解离。

逻辑门是通过设计的蛋白质对之间的同源结合以及涉及多特异性相互作用的竞争性结合来构建的。

给免疫细胞延寿

我们现在可以使用与计算机相同的操作方法在分子水平上控制生命，这对未来的医学和合成生物学具有重要意义。

华盛顿大学的研究团队已经开始下一步的研究，准备利用这项技术来治疗癌症。

CAR-T细胞靶向疗法治疗癌症存在诸多困难，科学家认为这与T细胞耗竭有关。

所谓CAR-T细胞就是嵌合抗原受体T细胞，嵌合抗原受体是一种生物工程蛋白。科学家从人体中提取T细胞，利用基因技术对其进行修饰，使其能够特异性地针对癌细胞表面的抗原，然后将其注射回患者体内。

但转基因T细胞只能存活很短的时间，华盛顿大学研究团队希望利用减弱信号反应的蛋白质逻辑门可以延长CAR-T细胞的活性。

陈子博表示，利用编程方法为每个患者制造长寿的T细胞，意味着更有效的个性化药物将会诞生。

关于作者

29岁的陈子博是加州理工学院埃洛维茨实验室的博士后研究员。他目前的研究方向是利用蛋白质从头开始构建逻辑电路。

他毕业于新加坡国立大学，获得生命科学学士学位，并于2019年获得华盛顿大学博士学位。去年，他还被《麻省理工科技评论》评选为35名35岁以下人士之一。

通讯作者David Baker 是华盛顿大学医学院生物化学教授兼蛋白质设计研究所所长。

值得一提的是，David Baker也是蛋白质设计游戏Foldit的作者之一。 Foldit设计的蛋白质已被科研人员多次引用，目前正用于针对新型冠状病毒的设计。

论文地址：https://science.sciencemag.org/content/368/6486/78

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用户评论

长裙绿衣

厉害！这可真是太牛了！用蛋白质来代替电子器件做计算机，未来完全可以实现生物与技术的完美融合啊！

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等量代换

这个研究很有前瞻性，如果能成功应用，或许真的可以解决许多生物医学难题。

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你的眸中有星辰

虽然我不懂这方面的专业知识，但光是看标题就觉得很厉害！果然，年轻人的梦想和科研能力值得我们仰望。

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减肥伤身#

我觉得这有点像科幻小说啊，把细胞变成计算机，想想未来真的让人兴奋、期待未来科技的进步！

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闲肆

基因编辑已经非常厉害了，现在用蛋白质来构建逻辑门，看来未来生物技术发展速度越来越快，令人感叹!

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孤城暮雨

我一直觉得生物学的潜力巨大，这次研究证明了这一点。希望这种技术能够早日应用于临床，造福人类。

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烟雨离殇

这只是第一步，未来的进展还有很多未知的地方，我觉得需要更多时间和研究来探索蛋白质逻辑门的实用性。

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。婞褔ｖīｐ

用细胞做计算机，听起来确实很有意思，但这样会不会对生物造成不可预知的影响呢？

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不浪漫罪名

这个研究的突破性在于蛋白质逻辑门的设计及其应用。对于生物医学来说是一个巨大的进步。

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执拗旧人

如果真能把细胞变成计算机，那是不是意味着我们以后可以把大脑也复制出来？这太恐怖了！

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将妓就计

很佩服华人青年的科研能力，希望他们能够取得更大的成就，为人类社会做出更多贡献！

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哽咽

我觉得这项研究的安全性还有待商榷，毕竟涉及到对细胞进行改造，潜在风险不能忽视。

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红尘滚滚

很期待看到未来科学家在这个领域取得的更多突破！也许有一天，我们真的可以用细胞来实现各种各样的计算任务。

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颜洛殇

这听起来像是一部科幻小说，我很好奇这对生物学和计算机科学的影响会是什么？

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葵雨

这个研究成果将极大地推动物细学的向前发展，为人类的健康福祉创造更多可能性！

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爱情的过失

用蛋白质当作逻辑门的设计思路确实非常巧妙，而且这种新型的计算方式相比于传统的电子计算机拥有更小的功耗和更强的适应能力。

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拥菢过后只剰凄凉

我很想知道这个蛋白质逻辑门的稳定性和可靠性怎么样？能否在实际应用中承受得住长时间工作和各种环境的影响呢？

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