中国科学家造出生命“光开关” _光明网

点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:中国科学家造出生命“光开关”
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

中国科学家造出生命“光开关”

来源:科技日报2021-10-11 10:47

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  光遗传学连续几年被认为是诺贝尔奖大热门,今年的生理学或医学奖揭晓之前一直位列预测榜第一名。

  用一束光控制生命活动,不仅炫酷而且魔幻,毕竟上帝创世第一天便说:要有光。

  如果光照后肿瘤就能消失,如果光“指哪儿”药物就“打哪儿”,如果有了光神经活动就被激发……这样的魔幻随着合成生物学的精进,正在成为现实。

  在体内提前“埋进”一个感光开关:660纳米(红光),打开;730纳米(远红光),关闭。10月4日,国际顶刊《自然·生物技术》刊登了我国科学家在光遗传学领域的研究成果,介绍这种全新的生命“光开关”的创造和验证过程。

  “在植物拟南芥中有一种光敏蛋白,不同纳米的波长可以让它与自己的‘伴侣’拥抱或远离。”该论文通讯作者,华东师范大学生命学院、上海市调控生物学重点实验室研究员叶海峰告诉科技日报记者,光能够改变这种蛋白的三维结构,因此可以利用它来设计感光“开关”,这种新型生命“光开关”被命名为REDMAP(“红图”)。

  开关无延时,细胞秒反应

  和疫苗、药物必须安全有效一样,生命“光开关”首先要无毒,其次要反应快。

  在这一新型生命“光开关”诞生之前,有很多光遗传学系统。

  “传统的光遗传学是利用光对光敏离子通道的控制,使得阳离子或者阴离子泵入细胞中,激活或者抑制神经元细胞。”叶海峰说,但由于此类光控离子通道蛋白工作原理的局限性,很难用于开发设计光控基因“开关”,来控制基因表达或编辑。

  为了设计出“光开关”,人们开始在自然界寻找对光敏感的蛋白,例如海藻的光敏蛋白、人眼视网膜的光敏蛋白、红细菌的光敏蛋白、拟南芥的光敏蛋白等。

  犹如电子计算机“从晶体管走进芯片时代”,生命元器件也在向小型化、高运算速度的方向发展。

  “只有系统元件足够小,才能被载体包装,从而广泛地应用于基因治疗和基础医学研究中。”叶海峰说,元件的前期设计就应该考虑到后期应用。

  为此,团队对拟南芥中的感光基因进行了不影响功能的截短,同时对整个系统的性能进行了优化。

  “我们筛选了很多版本,使用10余种基因调控的加强方法组合测试,优化了各种元件,做了上百个分子克隆进行优化。”叶海峰回忆,最终获得的最优组合,对光的敏感性提升高达150多倍。

  正是基于严苛的筛选和繁琐的优化,植入“红图”系统的细胞,能够做到“秒回应”。验证实验显示,只需红光照射不到1秒钟,就能“叫醒”基因开启表达。

  光照1分钟,小鼠降血糖

  通过设计和优化,“红图”系统实现了生命“光开关”需要具备的小巧和灵敏。

  那么,在生命体内是不是也能发挥作用呢?

  “很多外来的系统进入体内会失效或者被识别后消灭,但‘红图’系统不会。”叶海峰说,通过载体带入的整个“红图”系统至少能在体内工作3个月。

  研究团队将该系统包装至腺相关病毒(AAV2/8)载体上并注射至小鼠体内,成功地在小鼠体内实现了长达3个月以上的光控基因表达。

  为了验证该系统的临床价值,研究人员以胰岛素治疗为任务,验证“光开关”的作用。体内胰岛素如果过多或过少,对于糖尿病人来说都存在风险,控制胰岛素的体内分泌量是糖尿病治疗的痛点。

  团队将含有该系统的工程化定制细胞移植到糖尿病小鼠和大鼠体内,通过光来精准的控制胰岛素药物的表达。实验结果显示,无需定时服用药物或注射胰岛素,每天仅需光照1分钟或5分钟便可实现糖尿病小鼠和大鼠体内胰岛素的表达,从而精准控制实验动物的血糖稳态。实验验证了“红图”系统可对细胞治疗进行精准调控。

  此外,论文中还介绍了大量系统验证工作,包括应用于光控基因表达的控制、细胞信号通路控制、基因编辑、基因治疗、细胞治疗等不同新兴医疗手段,实现精准、灵敏、多元的调控。

  据了解,相关工作获得了国家重点研发计划“合成生物学”重点专项、国家自然科学基金、上海市科委合成生物学重大项目的资助。

  张佳星

[ 责编:涂子怡 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 西安疫情防控一线直击

  • COP15会场免费向公众开放

独家策划

推荐阅读
青藏高原多年冻土发生了显著退化,表现为地温升高、活动层厚度增大、多年冻土层厚度变薄、长期被埋藏的地下冰缓慢融化。
2021-10-20 09:32
此次获奖的真锅淑郎与哈塞尔曼,便是将短期的天气变化作为一种背景噪声,并将其同长期的气候变化结合起来,将时间尺度与空间尺度相结合,构建出了相对完善的气候模型。
2021-10-20 09:32
该校细胞动力学教育部重点实验室与生命科学学院姚雪彪、刘行、臧建业团队与合作者在细胞更新质量控制研究方面取得重要进展,相关研究结果日前在《自然·化学生物学》在线发表。
2021-10-20 09:31
科学家发现,植物体内的两种物质——SPL转录因子和GATA转录因子,都是SAP05“绑架”的对象,也都是植物生长发育中不可缺少的角色。
2021-10-20 09:31
强化“节能监察+节能诊断”双轮驱动,加快节能技术改造升级,有序推进工业领域减量高效利用化石能源,大力推进工业节能提效,促进行业绿色低碳发展。
2021-10-20 09:30
近日,中共中央、国务院印发的《国家标准化发展纲要》(以下简称《纲要》)明确要加强关键技术领域标准研究。
2021-10-20 09:29
本次试验标志着整体式固体发动机推力“120吨、200吨、500吨”三步走计划的全面实现,对丰富我国运载火箭动力型谱,提升快速进入空间能力意义重大。
2021-10-20 09:28
制约我国虚拟现实产业发展的因素还有不少,尤其是关键核心技术短板亟待突破、存量优质虚拟现实内容不足、产业创新生态体系尚不成熟。
2021-10-20 09:28
补钙很重要,但预防骨质疏松仅仅靠补钙还不够。“骨质疏松的根源是缺钙,而钙的吸收和利用需要活性维生素D。
2021-10-20 09:27
目前,新冠感染的无创呼出气筛查系统正计划扩大样本量,开展进一步优化与测试,以实现推广应用。
2021-10-20 09:27
加入协作网之后,国家级和省级牵头医院为成员医院开展医务人员培训,重点就是提高临床医生识别、诊断、治疗罕见病的能力。
2021-10-20 09:26
这一结果排除了嫦娥五号着陆区岩石初始岩浆熔融热源来自放射性生热元素的主流假说,揭示了月球晚期岩浆活动过程。
2021-10-20 09:26
南通大学医学院本科生团队近日自主研发了一款高效的DNA调控元件及超增强子筛选平台——SPACE,有助于发现新的DNA调控元件,进而调控肿瘤的分子机制。
2021-10-20 09:25
除主题展示外,国家有关部门和地方将在郑州举办创业投资行业峰会、全面创新改革交流研讨会、中原科技城双创嘉年华等活动。
2021-10-20 09:24
随着该产品在国内获批,将有望打破我国神经外科高性能可吸收止血耗材领域被国际品牌垄断的局面。
2021-10-20 09:24
再生资源产业数字化平台启动实现全国上线后,业务范围将进一步向全国拓展,从而为我国再生资源产业实现数字化交易和智能化服务赋能。
2021-10-20 09:28
现在,胡丹的公司日均生产大米200吨,流转土地面积达2万亩,拥有各式农机68台套,年产值逾亿元,共带动周边农户5000余户增收。
2021-10-20 09:23
10月18日,以“智领试飞、逐梦蓝天”为主题的第五届COMAC国际科技创新周在中国商飞公司试飞中心开幕
2021-10-20 08:11
金秋十月,入夜后,热闹的夏季银河已渐渐西垂。秋凉如水的夜晚,如果天气晴好,有兴趣的公众眺望夜空,会发现在南方中天,有四颗星星以近乎“正方形”的组合出现,这就是北半球秋天标志性的“秋季四边形”,也称“飞马座四边形”。
2021-10-19 09:43
“羲和”是上古神话中的太阳女神与制定时历的女神。10月14日,以“羲和”命名的我国首颗太阳探测科学技术试验卫星在太原卫星发射中心成功发射,这标志着我国正式步入“探日”时代。
2021-10-19 09:42
加载更多