医学有“金发姑娘”的问题。许多疗法只有在恰当的时间和非常精确的剂量下才能安全有效 - 如果过早或过晚，过量或过少，药物可能无效或甚至有害。但在许多情况下，医生无法知道何时或多少需要分配。

现在，由加州大学旧金山分校的Hana El-Samad博士和华盛顿大学的David Baker博士领导的生物工程师团队已经为这个问题设计了一个非凡的解决方案 - “智能”细胞就像微小的自主机器人一样，在未来，可能会被用于检测损害和疾病，并在恰当的时间和恰当的数量提供帮助。

令人惊讶的是，这可以在没有任何直接人工干预的情况下实现，这要归功于它在计算机上设计并在实验室中合成的第一种人工蛋白质，可用于在活细胞内构建全新的生物电路。 。这些电路将普通细胞转化为具有显着能力的智能细胞。

这种新的蛋白质，正式称为锁定正交笼式关键蛋白，或LOCKR，在7月24日发表在Nature杂志上的一篇论文中有所描述。它不同于任何生物学家 - 或自然本身 - 曾经设计过的。

“尽管生物技术库中的许多工具都采用天然存在的分子，这些分子可以在实验室中重新利用，但LOCKR在自然界中没有对应物，”加州大学旧金山分校生物化学和生物物理学的Kuo家庭教授，联合资深的作者El-Samad说。新的研究。“LOCKR是一种由人类从头到尾构思和构建的生物技术。这为蛋白质与细胞的其他组分相互作用的方式提供了前所未有的控制水平，并将允许我们开始解决尚未解决的问题 - 以前无法解决 - 生物学问题，对医学和工业具有重要意义。“

在其结构中，LOCKR类似于一个桶，当打开时，它显示出一个分子臂，可以设计用于控制几乎任何细胞过程。在这两篇新论文的第一篇中，研究人员描述了可以指导细胞内分子运输，降解特定蛋白质并启动细胞自毁过程的​​手臂。

但是有一个问题 - 字面意思。LOCKR的手臂保持隐藏，直到枪管打开。正如蛋白质的名字所暗示的那样，桶子一直保持关闭，直到它遇到一个分子“关键” - 一种由科学家设计的蛋白质，完全适合桶的“锁” - 打开它。在没有钥匙的情况下，LOCKR实际上已关闭，并且钥匙将其打开。

LOCKR“开启”或“关闭”时控制的能力意味着它的行为很像电动开关。尽管开关看似简单，但即使是原始的，高度微型化的开关也是所有现代电子产品的基本构建模块，包括为计算机，iPhone和其他智能设备供电的复杂集成电路。利用类似开关的LOCKR蛋白质，科学家们最终可以在细胞内构建这种电路的生物等价物。

“就像集成电路使计算机芯片行业大爆炸一样，这些多功能和动态生物开关可以很快解锁对活细胞行为的精确控制，最终实现我们的健康，”El-Samad说道，他也是Chan Zuckerberg Biohub调查员。

在这两篇论文的第二篇中，研究人员描述了该技术的电路构建潜力的令人印象深刻的证明。使用称为degronLOCKR的工具版本，可以打开和关闭以降解感兴趣的蛋白质，他们构建的电路能够动态调节细胞活动以响应来自细胞内部和外部环境的线索。

当包含遗传编码传感器的电路检测到正常细胞活动中断时，degronLOCKR通过破坏导致细胞破坏的细胞“软件”的蛋白质来应对，直到细胞恢复正常 - 这一过程让人回想起如何恒温器持续感应环境温度并指示HVAC系统关闭或开启以保持所需温度。

但是使用degronLOCKR在细胞中构建这样的新生物电路不仅仅是一种生物工程客厅技巧。根据最近在El-Samad实验室完成博士研究的两项研究的共同第一作者Andrew Ng博士称，该技术的潜力几乎是无限的。

“LOCKR，更具体地说，是degronLOCKR，开启了一个全新的领域，可以对细胞进行编程，以治疗各种无法安全有效治疗的虚弱状况，”Ng说，他曾与El-Samad一起工作过加州大学伯克利分校 - 加州大学旧金山分校生物工程研究生课程。“有了这些技术，我们只能受到想象力的限制。”

为此，El-Samad，Ng及其合作者现在正在构建基于degronLOCKR的智能细胞，可以治疗各种疾病和疾病，包括创伤性脑损伤(TBI) - 这是一个例证医学上的Goldilocks问题的条件。

当大脑发生创伤性损伤时，身体会通过激活剧烈的炎症反应来做出反应。虽然炎症是身体愈合过程的重要组成部分，但在TBI中，炎症水平可能远远超过必要的，甚至是健康的。在许多TBI病例中，炎症达到危险水平，使大脑永久性受损。

尽管医生可以通过药物来控制这种情况，但它们往往会导致炎症骤降到如此之低的水平，从而阻碍大脑的正常愈合。对于TBI，身体自身的防御和现代医学都不能达到“恰到好处”的金发姑娘炎症水平 - 不要太高，不要太低，但足以最大限度地治愈而不会造成永久性伤害。

这是degronLOCKR可以提供帮助的地方。研究人员认为，他们很快就能通过安装基于degronLOCKR的电路将患者自己的细胞转化为智能细胞，该电路旨在感知炎症并调节免疫系统的活动。希望是当这些工程细胞返回患者体内时，它们会在狭窄的治疗区域内保持良好的炎症状态。

但TBI并不是科学家用这种技术解决的唯一条件。El-Samad认为，智能细胞有朝一日可用于治疗目前无法治愈的各种疾病，从最新药物和细胞疗法不受影响的癌症到尚无治疗方法的自身免疫性疾病。

“通过使用degronLOCKR和将来开发的类似分子，我们将能够组成越来越复杂的电路，这可能很好地引入新一代智能，精确和强大的活细胞疗法，”El-Samad说。