實時更新中芯匯金最新動態(tài)，了解中芯匯金
純化的 Photorhabdus virulence cassettes(PVCs)，透射電子顯微鏡成像
物質(zhì)的跨膜運輸是生命活動中不可或缺的一環(huán)，卻也是許多疾病發(fā)生和發(fā)展的罪魁禍首。如何將物質(zhì)安全、高效、特異地輸送到目標細胞，一直是生物技術研究的難點。雖然有病毒 載體、納米粒子、外泌體等多種方法，但它們都存在一定的局限性，如安全性、效率、特異 性、可控性等。因此，開發(fā)一種既針對特定細胞類型，又能夠跨膜輸送選擇性蛋白質(zhì)的工具，成為了一項艱巨的任務。
近日，Nature雜志在線發(fā)表了一篇來自美國麻省理工學院（MIT）和哈佛大學（Harvard） 的合作研究論文，題目為“Programmable protein delivery with a bacterial contractile injection system”。該篇論文主要解決了一項跨膜運輸相關的難題：如何利用細菌的收縮 注射系統(tǒng)來進行可編程的蛋白質(zhì)輸送。
簡而言之：
1. 研究人員利用一種自然的細菌系統(tǒng)，開發(fā)了一種新的蛋白質(zhì)遞送方法，可在人類和動 物細胞中發(fā)揮作用。
2. 這項技術可以編程遞送各種蛋白質(zhì)（包括用于基因編輯的蛋白質(zhì)），遞送到不同的細 胞類型中。
3. 這個系統(tǒng)有可能成為遞送基因治療和癌癥治療藥物的一種安全高效的方法。
自然界中，內(nèi)共生細菌是一類與宿主共生的微生物，它們就像一群“護士”，演化出一 套高效的“輸送系統(tǒng)”--細菌與宿主的生物學接口。共生菌使用類似于注射器的納米級結(jié)構， 向宿主細胞注射蛋白質(zhì)，以調(diào)節(jié)周圍的生物學環(huán)境并增強其生存能力。這種外形像細菌鞭毛 的結(jié)構，被稱為胞外收縮注射系統(tǒng)(eCISs)，由一個套在里面的硬管和一個能收縮的鞘組成。當它遇到目標細胞時，像一個針頭一樣的鞭子頂端會穿透細胞膜，隨后迫使管內(nèi)的載荷物質(zhì) 直接注入到細胞內(nèi)部，如同一個細胞用的超級小型注射器。
胞外收縮注射系統(tǒng)(eCISs)模式圖
而在eCISs頂端的外側(cè)，存在另外一種重要結(jié)構--尾纖維，可以識別并鎖定細胞表面上特定受體。先前的研究發(fā)現(xiàn)，eCISs可以自然地靶向昆蟲和小鼠細胞，這意味著這些系統(tǒng)可能具有輸送治療性蛋白質(zhì)的潛能。但是，目前還不清楚eCISs是否能夠在人類細胞中發(fā)揮作用，也不清楚這些系統(tǒng)鎖定靶細胞的機制。
PVCs（綠色）在注射有效載荷蛋白之前與昆蟲細胞（藍色）結(jié)合
該團隊表示，盡管目前缺乏足夠的證據(jù)表明eCISs可以在人類中發(fā)揮天然功能，但這項技術仍可能為治療癌癥和其他疾病提供一種全新的方法，尤其是那些需要基因治療的疾病。因此，研究人員并沒有局限于尋找天然可識別人細胞的蛋白質(zhì)收縮注射系統(tǒng)，而是提出了一種大膽而富有創(chuàng)意的想法：通過重新設計尾纖維并結(jié)合不同的受體，將其改造為適用于人類細胞的蛋白質(zhì)輸送系統(tǒng)。這種利用蛋白質(zhì)工程來改變自然系統(tǒng)的生物活性的嘗試，無疑是 一次令人振奮且有趣的探索。
eCISs通過尾纖蛋白的遠端結(jié)合元件對靶受體進行特異性識別，從而實現(xiàn)了對特定類型細胞的靶向選擇和有效的蛋白質(zhì)載荷注射。研究人員利用人工智能工具AlphaFold重新設計了Photorhabdus菌產(chǎn)生的eCISs的尾纖維，使其能夠結(jié)合人類細胞，并創(chuàng)建了一種基于這種寄生性細菌胞外注射系統(tǒng)的可編程注射器——Photorhabdus virulence cassettes (PVCs)。這種裝置包含一個空心針，可攜帶荷物并刺穿目標細胞。針通過收縮機制物理強迫 穿過靶向細胞膜并伸入細胞內(nèi)部。
通過對尾纖維使用體外結(jié)構引導工程的方法，研究人員能夠重新編程 PVCs，使其能夠靶向系統(tǒng)原本不靶向的生物，包括人類和小鼠，而且在特定條件下效率接近100%。這意味著，通過重新設計尾纖維，研究人員可以改變這種系統(tǒng)的靶向細胞類型，從而為治療癌癥和其他疾病提供了一種新的方法。這項創(chuàng)新研究讓人們看到了蛋白質(zhì)工程的巨大潛力，同時也為開發(fā)更有效的藥物輸送系統(tǒng)打開了新的大門。
通過重新編程PVCs進行蛋白質(zhì)輸送的模式圖
科學家們通過重新設計蛋白質(zhì)復合物的一部分結(jié)構，成功地改進了注射器的輸送能力。他們制造了一種針對表達 EGF 受體的癌細胞的 eCISs，結(jié)果表明這種注射器能夠幾乎 100% 地殺死含有 EGF受體的癌細胞，而對沒有該受體的細胞則沒有影響。雖然注射器的效率在一定程度上取決于所靶向的受體，但這些發(fā)現(xiàn)證明了通過精密的重新編程，該系統(tǒng)將具有巨大 的腫瘤精準治療潛力。這個創(chuàng)新性的設計為腫瘤治療提供了一種更加準確和有效的方法。
結(jié)論
