科学家尝试用光来控制细胞的逻辑网络

在这项新的工作中，研究人员将光遗传学扩展到了在不改变它们的功能的情况下控制各种各样的蛋白质，使得一个可光控的蛋白完成其日常杂务成为可能。

　　蛋白质是生命的主要分子。它们所起到的作用包括携带氧气，构成组织，复制DNA给下一代，以及协调细胞内和细胞之间的事件。现在来自北卡罗来纳大学教堂山分校的科学家们已经开发出一种通过轻轻地打开一个开关就能控制活细胞内的蛋白质的方法，这给了研究者们一个前所未有的工具，可以使用最简单的工具——光——来找出疾病成因。

　　该项由Klaus Hahn和Nikolay Dokholyan领导并由他们实验室的研究生Onur Dagliyan主要完成的工作，建立在被称为光遗传学的突破性技术的基础上。这一项在本世纪初开发出来的技术使科学家们首次能够利用光来激活或失活蛋白质，从而使脑细胞打开和关闭，并提炼出关于每个大脑回路都是做什么的以及它们是如何与行为和性格的不同方面关联起来的想法。

　　但是这种技术有其局限性。只有少数蛋白质可以通过光来控制；它们被放置在细胞的各部分中，它们在那里通常是不存在的；而且它们都已经被进行过重度的设计，失去了大部分对它们的环境进行检测和响应的能力。

　　在这项最近发表在《科学》杂志上的新成果中，Hahn, Dokholyan和Dagliyan将光遗传学扩展到了在不改变它们的功能的情况下控制各种各样的蛋白质，使得一个可光控的蛋白完成其日常杂务成为可能。该蛋白质几乎可以在细胞的任何地方被打开，使得研究人员能够看到蛋白质是如何根据它们被打开和关闭的位置来完成不同的工作的。

　　“我们可以像自然产生的那样采用整个完整的蛋白质，并将这个使我们能够用光来打开和关闭的小旋钮贴到它上面，”Hahn说，他是Thurman杰出药学教授和北卡罗来纳大学教堂山分校Lineberger综合癌症中心的成员之一。“它就像一个开关。”

　　Hahn，Dokholyan和他的同事们开发的这个开关非常灵活和快速——他们可以快速地切换蛋白质的开和关，就像开关灯一样。通过改变光的强度，他们还可以控制蛋白质被激活或灭活的比例。而且通过控制照射时间，它们可以精确地控制蛋白质在细胞中的不同地方被激活的时间。

　　“细胞行为的许多方面都取决于蛋白质活动的瞬态快速变化，”Hahn说。“但是这些变化必须发生在精确的位置。即使是相同的蛋白质，如果它活跃在不同的地方，也会使细胞做出不同的事情，从而基于其所响应的东西在细胞的不同部分建立起一个灵活的逻辑网络。

　　在完成他们的突破的时候，Hahn和Dagliyan使用了一个计算方法来确定蛋白质的哪些部分可以被修改而不会影响蛋白质的正常工作，并发现常见于蛋白质表面的蛋白质环形结构可以很容易地用不同的“旋钮”来修改，以用光来控制蛋白质，甚至对药物发生反应。

　　想象一下，把一台摄像机放在公交车上；如果把它放在油门踏板上的话，会妨碍它的功能，那样公交车就不能正常行驶了。但是如果把它放在引擎盖上，公交车就能继续开得很好。新的计算方法为研究人员指明了每个蛋白质的“引擎盖”。

　　由于这些工具使天然蛋白质的功能保持了完整性，因此该项新技术使科学家们能够研究活体系统中的蛋白质，这些蛋白质生活和工作在它们自然的复杂性下。这种操纵活体系统中的蛋白质的能力也为很多疾病的研究提供了一个机会，因为很多疾病往往是由于单一的某种蛋白质机能失常造成的。

　　“为了理解究竟发生了什么事情，你需要看到这些到处移动的零件，”Hahn说。“你需要知道这些动态的行为来了解究竟发生了什么。”

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