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

  • 文化遗产数字化论坛开幕倒计时1天

  • 倒计时1天!人工智能安全治理分论坛即将举行

独家策划

推荐阅读
人工智能的浪潮正在席卷从科技到教育,乃至全社会的各个角落,中国教育界正在积极推动学习和应用人工智能,以便乘势站在时代前列。今年6月,中国工程院院士、华中科技大学校长尤政提出,人工智能和批判性思维结合形成DNA式的“双螺旋结构”,将有力推动创新。
2025-09-16 09:14
15日,在2025年国家网络安全宣传周主论坛上,《人工智能安全治理框架》2.0版正式发布。落实《全球人工智能治理倡议》,《人工智能安全治理框架》1.0版于2024年9月发布,受到国内外广泛关注。
2025-09-16 09:13
光明日报北京9月15日电 记者陈晨从农业农村部获悉,2025畜禽种业发展论坛14日在北京市平谷区举行。论坛发布了第三次全国畜禽遗传资源普查、濒危畜禽遗传资源保护成效、主要畜种分子身份证构建和遗传评估优秀种公畜等重大成果,举办了畜禽种业振兴成果展,26家单位现场推介新技术、新设备、新成果,72家单位进行专场展示。
2025-09-16 09:13
数智技术以及数智互联技术将推进青年间社会化协同与知识共享,可精准连接青年学习者,并形成跨地域的学习社群与项目协作组。总而言之,数智技术能够为青年群体参与终身学习创造良好条件,能够充分激发青年群体参与终身学习的动力,能够更好地帮助青年群体全面发展。
2025-09-16 09:12
作者:王 珩、程松泉,分别系浙江师范大学教师教育学院教授;浙江师范大学教师教育学院博士生  当前,全球教育正经历一场由人工智能技术驱动的深刻变革。唯有坚守育人初心,在伦理框架内审慎推进技术应用,才能让人工智能真正成为引领教育发展的引擎,而非解构教育本质的飓风。
2025-09-16 09:11
在合成生物学和气候变化应对领域有巨大潜力。
2025-09-16 09:11
走进展区,多款新潮文创让人爱不释手;戴上设备,苏轼笔下的诗词世界任人遨游;指尖轻点,三千年前的青铜器“触手可及”……一系列新产品、新服务、新场景在2025年中国国际服务贸易交易会文旅服务专题亮相,漫步其中,处处感受到科技与创意奔涌、文化和旅游融合的无限活力。
2025-09-15 09:54
在2025年中国国际服务贸易交易会上,一批品类丰富、兼具趣味与文化内涵的文创精品成为展会现场的“人气王”,引爆观展热潮。
2025-09-15 09:54
最大网络基础设施的建成有助于我国突破关键技术的“卡脖子”困境,形成自主可控的核心技术优势,建立起数字经济产业的第二创新生态。 (作者:戎 珂,系清华大学社会科学学院经济学研究所所长、长聘教授;田晓轩,系清华大学社会科学学院经济学研究所博士研究生)
2025-09-15 09:53
今年暑期,工厂游火爆出圈。参观名额秒空、门票收入可观、社交平台相关笔记有10多万条,工厂游俨然成了文旅界新宠。 工厂游等新型旅游业态,实现了工业与文旅的跨界融合,也为文旅经济的发展提供了新增长点。
2025-09-15 09:52
深夜,河南焦作多氟多新材料股份有限公司的实验室依旧灯火通明,总工程师闫春生还在带着团队忙碌。 2006年,多氟多打响了由传统氟化工向精细氟化工、新能源材料转型的战役,闫春生临危受命加入六氟磷酸锂研发团队。
2025-09-15 09:51
2025年中国国际服务贸易交易会9月10日至9月14日在北京举办,众多科技产品亮相展区,吸引观众驻足参观。2025年中国国际服务贸易交易会9月10日至9月14日在北京举办,众多科技产品亮相展区,吸引观众驻足参观。
2025-09-12 10:08
汽车排放被认为是气候变化的“元凶”之一,但学术界一直缺乏对城市道路碳排放进行精准刻画的工具。”借助全景AI模型,可实现二氧化碳排放源的精准提取,模型的平均精度超过93%、平均误差低于1.3ppm(ppm为百万分比浓度)。
2025-09-12 10:01
习近平总书记指出:“要把握人工智能发展趋势和规律,加紧制定完善相关法律法规、政策制度、应用规范、伦理准则,构建技术监测、风险预警、应急响应体系,确保人工智能安全、可靠、可控。人工智能系统的可靠性不能停留在统计意义上的“高概率正确”,而应追求在复杂、开放、动态环境下的“高置信可靠”。
2025-09-12 10:01
10日,2025世界顶尖科学家协会奖(以下简称“顶科协奖”)获奖者名单在上海公布。顶科协奖是2021年在上海发起创设、由红杉中国独家提供永久资金支持的面向全球科学家评选的科学大奖。
2025-09-12 09:59
全球规模最大恐龙蛋化石群——湖北十堰青龙山恐龙蛋化石群的埋藏时代,首次被科学家认定为距今约8600万年。专家考证,这是迄今全球分布最集中、规模最大、埋藏最好、原地出露最多、原址保存最好的恐龙蛋化石群。
2025-09-12 09:58
9月10日上午,在马来西亚吉隆坡召开的国际灌排委员会第七十六届国际执行理事会会议上,2025年(第十二批)世界灌溉工程遗产名录正式公布,我国申报的云南元阳哈尼梯田、江苏句容赤山湖灌溉工程、四川彭州湔江堰、北京门头沟永定河古渠灌溉工程全部成功入选。
2025-09-11 10:18
“十四五”以来,我们牢固树立和践行绿水青山就是金山银山的理念,全力当好自然资源“大管家”和美丽中国“守护者”,全面完成了“十四五”规划的目标任务,有效支撑了经济社会的高质量发展。
2025-09-11 09:57
未来,城市的画卷上,AI、物联网与大数据等现代科技将继续深化推广,但唯有始终以人的尺度丈量技术,以人文的关怀驾驭创新,方能使城市永葆文气的深度、人气的热度与烟火气的温度,让每座城市都在科技的守护中,找到生生不息的发展动能。
2025-09-11 09:52
北京大学的科研团队与合作者联合开发出一种全新的“高维超分辨成像”技术,成功实现了对活细胞内15种细胞器的同时成像与精准识别,为细胞生物学研究打开了一扇全新的大门。
2025-09-11 09:43
加载更多