杜克大學的生物醫學工程師已經展示了一種控制細胞生化過程的新合成方法。與其通過傳統的”鎖和鑰匙”機制創造直接與細胞機械相互作用的顆粒或結構，不如引導細胞建立物理上停止-或鼓勵-生物分子功能的”隔間”。

杜克大學生物醫學工程師開發了一種控制細胞過程的新合成方法。該方法涉及指導細胞建立調節生物分子功能的隔間，而不是直接與細胞機械互動。這種方法可以影響細菌之間的遺傳指令傳播和哺乳動物細胞中的蛋白質迴路，有可能導致理解和對抗疾病和抗生素抗性病原體的新策略。

研究人員證明，他們的方法可以影響兩個細胞過程，一個負責在細菌中傳播遺傳指令，另一個負責調節哺乳動物細胞中的蛋白質迴路。這些結果可能被證明對開發新的戰略以了解和對抗疾病或阻止抗生素抗性病原體的傳播是非常寶貴的。該成果今天（2023年2月6日）在線發表於《自然-化學生物學》雜誌。

這些紅色斑點是熒光的合成隔間，由活細胞自身的生物機器建造，以控制其生物分子行為。資料來源：戴一凡，杜克大學

戴一凡是一名博士後研究員，在杜克大學生物醫學工程系Alan L. Kaganov特聘教授Ashutosh Chilkoti的實驗室和生物醫學工程系James L. Meriam特聘教授Lingchong You的實驗室工作，他胡搜：”一個活細胞就像一碗濃稠的麵湯，細胞中生物分子的密度有時被描述為把地球上的每個人都放入大鹽湖。”

戴說：”琥珀的形成有時會將動物鎖住並保存數千年，因為它與周圍環境相比具有獨特的材料特性。科學家們認為，也許細胞可以對信息做同樣的事情。”

生物微機械通常依賴於所謂的”鎖和鑰匙”機制，其中一個蛋白質、基因鍊或其他生物大分子的形狀和大小恰好可以與其目標結構相互作用。因為這些是最容易和最明顯的研究和重現的過程，幾乎所有的生物醫學研究都集中在其龐大而復雜的機械網絡。

但是，由於細胞中密佈著這種生物分子機械，而且它們需要控制活動以應對整個生命過程中的不同需求，科學家們長期以來一直懷疑它們必須有方法來調控活動。但直到2009年，研究人員才發現了這樣一種方法的機制，稱為相分離介導的生物凝集物。

生物凝結物是細胞可以建立的小隔間，將某些蛋白質和分子分離或困在一起，阻礙或促進其活動。研究人員剛剛開始了解冷凝物是如何工作的，以及它們可以用來做什麼。創建一個可以告訴細胞創建這些生物分子籠子的合成版本的平台是朝著這兩個目標邁出的一大步。

本研究最值得關注的部分是過去研究中出現的規則在指導這些冷凝物的物理特性的合理工程方面的有效性，而這些冷凝物又在活細胞中有效地工作，儘管有許多與細胞內環境有關的干擾因素。

在這篇論文中，Dai、Chilkoti、You和他們來自聖路易斯華盛頓大學Gene K. Beare生物醫學工程傑出教授和生物分子凝集物中心主任Rohit V. Pappu實驗室的同事，展示了創建一套合成的遺傳指令，使細胞創建不同類型的凝集物以捕獲各種生物分子過程。在一個例子中，他們建立了凝結物，阻止被稱為質粒的DNA小包在細菌之間傳播，這個過程被稱為水平基因轉移。這個過程是病原體用來傳播對抗生素的抗性的主要方法之一，阻止它的發生可能是打擊”超級細菌”的產生和擴散的關鍵一步。

研究人員還表明，他們可以用這種方法來控制大腸桿菌中DNA轉錄成RNA的過程，通過將不同的因素聚集在一起，有效地放大特定基因的表達。他們進一步展示了這種方法在哺乳動物細胞中調控蛋白質電路。調控特定基因的活性和蛋白質的活動可能是對抗各種疾病，特別是遺傳性疾病的一個有用方法。

“這篇論文表明，我們作為生物醫學工程師，可以從頭開始設計新的分子部件，說服細胞製造這些部件，並在細胞內組裝這些部件以製造新機器，”Chilkoti說。”這些合成的凝結物然後可以在細胞內被打開，以控制細胞的功能方式。這篇論文是一個新興領域的一部分，它將使我們能夠以新的和令人興奮的方式重新編程生命。”