科學(xué)家研發(fā)新工具：能用心血管藥物開關(guān)基因，測(cè)試生物計(jì)算機(jī)

老藥新用？中國(guó)科學(xué)家研發(fā)出合成生物學(xué)的新工具——FAR switch，將預(yù)防血栓形成、用于心血管疾病治療的上市藥物阿魏酸鈉，用作“開關(guān)”，用于控制基因表達(dá)的開始或關(guān)閉。

研究人員認(rèn)為，這一合成生物學(xué)新工具，為細(xì)胞治療等醫(yī)學(xué)的動(dòng)態(tài)干預(yù)提供了新策略，有望加速智能基因/細(xì)胞藥物向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

圖1 FAROFF switch的原理圖和基因表達(dá)動(dòng)力學(xué)表征。

研究人員還測(cè)試了前述工具在基因編輯、細(xì)胞治療、生物計(jì)算機(jī)邏輯運(yùn)算等三方面的應(yīng)用可能。

澎湃新聞從華東師范大學(xué)獲悉，8月8日，相關(guān)論文在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)—進(jìn)展》（Science Advances）上在線發(fā)表。

論文顯示，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)，研究人員可以將FAR switch設(shè)置成“當(dāng)環(huán)境中不存在阿魏酸鈉時(shí)，下游報(bào)告基因表達(dá)關(guān)閉；而當(dāng)阿魏酸鈉存在時(shí)，則引發(fā)下游報(bào)告基因表達(dá)”，或者反之。

研究人員通過(guò)微膠囊，將包含前述工具的細(xì)胞株移植至小鼠體內(nèi)。這時(shí)，當(dāng)給小鼠注射或口服阿魏酸鈉，均能在小鼠血清中檢測(cè)到報(bào)告基因的表達(dá)，持續(xù)時(shí)間可以持續(xù)15天。

研究人員還測(cè)試了前述工具的另外兩種應(yīng)用：利用阿魏酸鈉調(diào)控CRISPR-Cas9/dCas9系統(tǒng)；利用阿魏酸鈉和苯甲酸聯(lián)合控制，進(jìn)行多種高階邏輯運(yùn)算，組裝生物計(jì)算機(jī)。

圖2 FARON switch的原理圖和動(dòng)力學(xué)表征

CRISPR-Cas9/dCas9系統(tǒng)被稱為“基因魔剪”，已被廣泛應(yīng)用于表觀遺傳修飾和定點(diǎn)基因編輯。但持續(xù)性表達(dá)的Cas9蛋白可能存在脫靶的風(fēng)險(xiǎn)，帶來(lái)不可預(yù)估的副作用。來(lái)自華東師范大學(xué)的研究人員在FARON switch的基礎(chǔ)上，進(jìn)行設(shè)計(jì)、改造，構(gòu)建了阿魏酸鈉調(diào)控的表觀遺傳修飾系統(tǒng)和基因編輯系統(tǒng)，用阿魏酸鈉調(diào)控前述過(guò)程。

此外，通過(guò)在單細(xì)胞內(nèi)裝載可編程的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)在阿魏酸鈉和苯甲酸雙輸入的情況下，執(zhí)行多種高階邏輯運(yùn)算，組裝生物計(jì)算機(jī)，有望實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的人機(jī)交互。

該研究論文通訊作者是華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、上海市調(diào)控生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、華東師范大學(xué)醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)研究中心研究員葉海峰。華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后王義丹和2017屆碩士畢業(yè)生廖舒勇為該論文的共同作者。該研究受到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“合成生物學(xué)”重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委合成生物學(xué)重大項(xiàng)目的資助。