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能包装自身遗传物质并演化的合成蛋白质组装体

科技资讯  2018年1月10日 15:13  来源:新浪科技
摘要:新浪科技讯北京时间1月10日消息,据国外媒体报道,科学家首次成功设计并制造了一种蛋白质组装体,能够像病毒一样在复杂环境中保护自身的遗传物质,并演化出新的功能特征。该研究的结果发表在最近的《自然》(Nature)杂志上。论文的第一作者是来自华盛顿大学蛋白质设计研究所的加布里埃尔·巴特菲尔德(GabrielL。Butterfie...

  新浪科技讯 北京时间1月10日消息,据国外媒体报道,科学家首次成功设计并制造了一种蛋白质组装体,能够像病毒一样在复杂环境中保护自身的遗传物质,并演化出新的功能特征。该研究的结果发表在最近的《自然》(Nature)杂志上。论文的第一作者是来自华盛顿大学蛋白质设计研究所的加布里埃尔·巴特菲尔德(Gabriel L。 Butterfield)和马克·拉乔伊(Marc J。 Lajoie)。

  这一成果源于华盛顿大学医学院等机构开发靶向药物递送系统的分子工程项目。合成蛋白组装体的设计经过了复杂运算,只在实验室中形成,在自然界中还从未出现过。研究人员希望利用这些蛋白质组装体取代载体病毒,将药物递送到特殊类型的细胞之中。

  “靶向药物递送是医学上还没有解决的重要需求,”拉乔伊指出,“目前,研究者主要采用病毒方法,尽管有效,但很难进行改造。另一种方法是采用聚合纳米颗粒,虽然有了操作性,但靶向递送的效率较低。”

华盛顿大学的这项研究使定制用于RNA运输的合成核蛋白壳成为可能,或许将使靶向药物递送变得更为便捷。  华盛顿大学的这项研究使定制用于RNA运输的合成核蛋白壳成为可能,或许将使靶向药物递送变得更为便捷。

  除了在生物医学领域的应用,这些新设计的蛋白质组装体还可能在合成生命领域带来突破性的改变。科学家认为,这种基于蛋白质的二十面体组装体将是首批能“包装”自身遗传物质,并演化出新特性的全合成组装体,而这些通常都是活体生物才具有的功能。

  这项研究是在华盛顿大学医学院生物化学教授大卫·贝克(David Baker)和生物化学助理教授尼尔·金(Neil King)的实验室中进行的。这种新型蛋白质组装体是核蛋白壳的人工合成形式。核蛋白壳可以作为基因组的包装容器。大多数病毒将遗传材料包裹在一个蛋白质壳(又称衣壳)中,借此欺骗细胞,利用细胞内部的遗传物质进行复制。许多病毒已经被改造应用于基因疗法。

  合成核蛋白壳就像一个病毒衣壳,可以保护和运输其包裹的mRNA等遗传物质。拉乔伊解释称,与活体病毒不同,这些合成核蛋白壳无法自己复制和增殖。“它们在基因组包装效率上可以和病毒媲美,而且能更加容易地进行工程操作,”巴特菲尔德补充道。由非病毒蛋白质组成的合成系统能提供一张“白板”,演化出用于药物递送和其他生物医学应用所需的特性,同时避免了与病毒有关的安全风险和技术挑战。

  运算设计和演化的结合为开发新的生物功能提供了机遇。通过这种方法,研究人员将生物医学应用所需的复杂特性引入了这些蛋白质组装体,包括提高其包装RNA的能力、增强对血液的抵抗力(血液中的某些成分会分解这种组装体),以及实现在小鼠体内更长的循环时间等。

  研究人员通过改变衣壳的特定区域来实现这些特性的改进。包装一开始是通过内部结构的重新设计,利用静电捕获RNA。接下来在生物化学环境中的演化步骤是:演化出能使RNA得到更好包装的内部结构,演化出避免RNA被酶和血液中其他成分分解的保护机制,以及演化出能延长在小鼠体内循环时间的外部结构。这种核蛋白壳的演化既提高了mRNA的包装效率,也增强了它们在生物体内的循环稳定性。

  对生物来说,遗传物质的包装非常重要,能保留DNA或RNA分子中的“生命密码”。“我们在两种完全无关的蛋白质基础上设计了合成核蛋白壳,”拉乔伊说,“这令人振奋,因为我们不必使用现有细胞作为模板,就能设计出生命所必需的功能。”研究结果显示,合成核蛋白壳能为每11个二十面体形组装体包装一个完整长度的RNA基因组,与目前最好的重组腺相关病毒载体相近。

  未来的研究工作将继续采用设计与演化结合的策略,进一步优化蛋白质组装体在复杂条件下的功能,例如在活体组织中的应用。“对于目前演化策略在解决问题上的高效率,我们感到很惊喜。我们希望这一策略能继续帮助我们实现未来的目标:将治疗药物运送到动物体内特定的细胞中,”巴特菲尔德说道。

  这项研究得到了霍华德休斯医学研究所、比尔及梅琳达·盖茨基金会、美国国防高级研究计划局(DARPA)、美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会、华盛顿研究基金和癌症研究所(Cancer Research Institute,位于纽约)的资助。(任天)