细菌“光系魔法”助力手机智能医疗

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所属分类:国际篮球

来源:中科院之声

手机开启了智能掌上生活,它可以是你的图书馆,学习机,也可以是你的商场,电影院。但你有想过手机还能成为一味治病“良药”吗?玩着手机,顺便就把病给治了?科学家们就正在不懈努力,让这种天马行空的想法一步步实现。

科学家利用细菌的“光系魔法”制造了一个手机智能诊疗系统,它可以及时响应所测得的血糖信号,通过人工设定或者自动发射光信号,作用于小鼠体内的光基因工程细胞,使其分泌一种能够促进胰岛素升高的物质,从而降低血糖。这个系统结合了电子设备产生的数字信号与光基因工程细胞,看起来着实复杂,但理解起来很简单!几乎和你用遥控器调控电视这个过程一致。遥控器控制电视主要分为四步:

① 电视在播放广告—眼睛把“播放广告”这个信息传递给大脑—大脑不开心想调频道—然后发出命令指挥手摁下遥控器;

② 遥控器:发射红外线信号;

③ 电视:接收信号装置接收光信号,并转换为电信号;

④ 电视:处理电信号,执行换频道命令。

这个智能诊疗系统发挥作用也同样是这四个步骤: 

① 血糖偏高:血糖仪检测血糖把“血糖含量”通过蓝牙传递给手机和智能控制器—手机里的应用程序报告异常(使用者预先设定了血糖含量正常值范围)—使用者通过应用程序向智能控制器发出命令;

② 智能控制器:通过场频信号发生器控制被植入小鼠皮肤下的水凝胶LED复合体发出远红光;

③ 光基因工程细胞:接收远红光,并转换为细胞内的生物信号;

④ 光基因工程细胞:处理生物信号,表达shGLP-1(这种物质可以促进胰岛素的分泌从而降低血糖)。

如果对以上每一个步骤进行深入了解,你都会惊喜的发现那是一个巨大的宝藏,但是这里我们还是聚焦于细胞中能将光信号转化为生物信号的“光系魔法”,也就是步骤③。 

“看见”光的眼睛—细菌光敏色素

光是大自然最宝贵的馈赠之一,你可以看到小树在阳光下伸展枝丫,也能发现月光下盛开的昙花。但你看到了吗?光下生物体内那汇聚又延伸的神秘光线,那是生命对光的回答。在这个神秘的过程里,生物体可以通过吸收光子将光信号转化为生物信号,来调控生长、形态、新陈代谢等等。因为光而欢呼雀跃的生物中,除了我们熟知的植物还有能够“看见”光的微生物,类球红细菌就是其中一员。

别看科学家创造的细胞可以施展“光系魔法”,但是真正的大发明家却是类球红细菌。微观世界里,生物体用来“看见”光的眼睛被称为光受体蛋白,细菌光敏色素就是光受体蛋白的一种,它就是“大发明家”类球红细菌的“眼睛”。那么,类球红细菌的“眼睛”是怎么看见光的呢?科学家又是怎样把这种“光系魔法”化为己用的呢?我们将从细菌光敏色素受体的结构来解释这两个问题。让我们一起进入微观世界,探索类球红细菌“看见”光的奥秘!

“乐高”哪家强—细菌光敏色素的模块化结构

细菌光敏色素可是光受体蛋白界的王牌“乐高”选手。你如果玩过积木,一定了解积木最重要的特点就是模块化。细菌光敏色素的结构也正是如此,你可以把它理解为四块积木,三块红色的积木组成感光核心模块,黄色的积木是效应输出模块,这两大模块正对应着类球红细菌“看见”光的秘密和科学家“偷师”的诀窍。

感光核心模块,顾名思义就是用来感受光的重要组成部分。科学家把组成感光核心模块的积木叫做结构域,从左到右我们分别命名为PAS、GAF和PHY结构域。你可以看到,这三块红色的积木牢牢的保护着一个红色的五边形。这个五边形被包围在 GAF 中,形成一个口袋,又通过“S”与PAS连接,而PHY则将“一条尾巴”伸向色素口袋。这个五边形像一个小公主一样被牢牢保护着,你一定能想到,它就是类球红细菌“看见”光的关键所在,这位“小公主”就是胆绿素。

“感光变身小公主”——胆绿素

胆绿素这位“小公主”其实你并不陌生。在你的身体里它是一种胆汁色素,可以由血红蛋白分解而来。那么在类球红细菌中,它对“看见”光又有什么贡献呢?一切还是要从结构说起。

还记得胆绿素这位小公主被感光核心模块中的PAS、 GAF、PHY三个“积木骑士”牢牢包围保护吗?在特定光的照射下,“小公主”胆绿素吸收能量,完成结构的变化进行变身,接着这种变化传递给感光核心模块中的“骑士团”,骑士们也发生了结构上的变化,又紧接着影响了下游的黄色积木效应器“士兵”。由于“士兵”结构发生变化,它的“性格”也发生了变化,它的功能被激活了!于是“士兵”效应器雄赳赳气昂昂地去细胞内“征战”,发挥作用了。

就这样,细菌光敏色素在“小公主”胆绿素、“骑士团”感光核心模块和“士兵”效应器的倾力合作下,响应光的照射,把光信号转化为了生物信号,使细胞发生一系列的变化,影响了它的代谢和生长。

现在你已经知道了类球红细菌是怎么“看见”光的,那么科学家们又是怎样将这种“光系魔法”化为己用,成功“偷师”的呢?这就要归功于感光中心模块下游的效应器了。

“七十二变”效应器——科学家改造的关键位点

效应器就是我们的“士兵小黄”了,也叫效应输出模块。效应器在不同生物内可以是不同的种类。它可以是“骑兵小红”、“炮兵小粉”、“步兵小蓝”等等,也就是说光敏色素的感光核心模块可以搭配不同的效应器,调节不同的输出,从而调节细胞不同的代谢途径使细胞发生不同的变化。而细菌光敏色素像搭积木一样的模块化的结构可以让科学家可以在这里大做文章,太激动人心了!把效应器这个模块删除、添加或者改造,就可以改变细菌光敏色素的输出效果和作用!

这里我们通过智能医疗系统中科学家偷师“光系魔法”的方法和故事,来管中窥豹了解科学家们对自然中发现的宝藏是如何改造利用的。在你“摁下”智能医疗系统的“遥控器”后的步骤③中,光基因工程细胞在光的照射下将光信号转化为生物信号,在下游信号传递中包括一系列极其复杂的过程,但最关键的还是效应器执行的指令,这个系统中科学家需要的是双鸟苷酸环化酶(DGC)的活性,所以科学家希望DGC活性在光照条件下尽可能的高,而类球红细菌中的细菌光敏色素并不具备这个特性,于是科学家进行了下图一系列的改造。

改造1:聪明的科学家想到,把PDE活性的 “绿色积木”EAL拿走,会不会DGC的活性就体现出来了呢。于是科学家敲除EAL的编码基因,发现PDE活性消失了,同时有了低水平的DGC活性。此时的细菌光敏色素命名为BphG。

改造2:低水平的DGC活性并不能满足光基因工程细胞中信号传递的需要。这时候科学家想到,在之前的研究里发现蓝细菌中“GGDEF”模块的DGC活性很高,就用蓝细菌来源的“粉色积木”替换了“蓝色积木”,结果令人惊喜,DGC活性大大提高了,但还是不能满足“贪心”的科学家。此时的细菌光敏色素命名为BphS1。

改造3:酶的结构中有一些关键位点,如果对这些关键位点进行改造,酶的功能就会发生变化。于是科学家对“红色积木”GGDEF模块的关键位点进行基因突变,拿到了一个DGC活性进一步提高的“红色积木”GGDEF模块,这时候科学家们终于对DGC的活性满意了。此时的细菌光敏色素命名为BphS。

黑暗下BphS的效应器GGDEF模块处于不活跃状态,不具有DGC活性;远红光照射下,GGDEF模块具有DGC高活性。于是光基因工程细胞在远红光照射后,由具有高DGC活性的GGDEF模块启动了下游的一系列信号通路,从而最终激活了功能物质shGLP-1的表达和分泌,从而降低血糖。

聪明的你一定发现了,在胆绿素部分我们了解的是不活跃的胆绿素吸收红光变身活跃状态,为什么这里是远红光呢?因为科学家对效应器模块进行了一系列改造,这位新“士兵”对上级命令的理解也不甚相同,于是需要科学家设置一系列命令,来观察“士兵”的响应情况,其中“士兵”效应器对远红光这种命令执行的效果最好,所以最后命令就由红光变成了远红光。就这样,科学家从类球红细菌中成功偷师了“光系魔法”。

科学家偷师的“光系魔法”只是微生物魔法的沧海一粟,这其中有的星光被人类探知,成为瑰宝点缀在科技发展的长河中,而有的星光依然沉寂,等待你去发掘,为人类的发展添一抹颜色。加油吧!少年!

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