科学家利用光来控制细胞的逻辑网络

蛋白质是生命的主力分子。在他们的许多工作中，他们携带氧气，构建组织，为下一代复制DNA，并协调细胞内和细胞之间的事件。现在北卡罗来纳大学教堂山分校的科学家已经开发出一种控制活细胞内蛋白质的方法，只需轻轻一按开关即可，为研究人员提供了一种前所未有的工具，可以使用最简单的工具来确定疾病的起因：光。

由Klaus Hahn和Nikolay Dokholyan领导并由Onur Dagliyan(他们实验室的研究生)带头的工作建立在称为光遗传学的突破性技术的基础上。该技术是在21世纪初开发的，它首次允许科学家使用光来激活和停用可以使脑细胞开启和关闭的蛋白质，从而改善个体大脑回路的作用以及它们与不同方面的关系。行为和个性。

但该技术有其局限性。只有少数蛋白质可以被光控制; 它们放在通常不存在的细胞的一部分; 他们经过严格的设计，失去了原有的检测和响应环境的能力。

最近在“ 科学”杂志上发表的新作品中，Hahn，Dokholyan和Dagliyan扩大了光遗传学，以控制各种蛋白质而不改变其功能，允许光控蛋白质进行日常琐事。蛋白质几乎可以在细胞的任何地方打开，使研究人员能够看到蛋白质如何根据它们打开和关闭的位置完成不同的工作。

“我们可以采用完整的，完整的蛋白质，就像大自然制造它一样，并将这个小旋钮放在上面，这样我们就可以用光来打开和关闭它，”Hahn，Thurman药理学杰出教授和UNC Lineberger综合癌症中心会员。“这就像一个开关。”

Hahn，Dokholyan及其同事开发的开关功能多样且快速 - 它们可以在切换光线时尽可能快地打开或关闭蛋白质。通过改变光的强度，它们还可以控制蛋白质被激活或失活的程度。通过控制照射的时间，他们可以精确控制蛋白质在细胞中不同点的活化时间。

“细胞行为的很多方面取决于蛋白质活性的短暂，快速变化，”哈恩说。“但这些变化必须发生在确切的位置。如果细胞在不同的地方活跃，相同的蛋白质会导致细胞做不同的事情，在细胞的不同部分建立灵活的逻辑网络，这取决于它所响应的内容。”

为了取得突破，Hahn和Dagliyan使用计算方法确定蛋白质的哪些部分可以在不改变蛋白质正常操作的情况下进行修饰，并且表明通常在蛋白质表面上发现的蛋白质结构环可以通过不同的“旋钮”轻易修饰用光来控制蛋白质，甚至对药物有反应。

想象一下，将摄像机固定在公共汽车上; 将它放在油门踏板上会阻碍其功能，因此总线无法正常行驶。但把它放在引擎盖上，公共汽车将继续开得很好。新的计算方法将研究人员指向每个蛋白质的引擎盖。

由于这些工具保持了天然蛋白质功能的完整性，这项新技术使科学家们能够在生命系统中研究蛋白质，而蛋白质通常以其自然复杂的方式生存和工作。这种在生命系统中操纵蛋白质的能力也提供了研究多种疾病的机会，这些疾病通常由单一蛋白质的功能障碍引起。

“为了理解发生了什么，你需要看到部件四处移动，”哈恩说。“这是你需要知道的动态行为才能理解正在发生的事情。”