用纳米技术方法解决蛋白质工程问题

        据ScienceDaily网站2006年6月10日报道，在《美国化学学会期刊》6月8日的网络版以及7月份的印刷版上，来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）的物理学家们向世人报告了他们在蛋白质工程新方法上取得的一个重大进步。

        加州大学洛杉矶分校的物理学副教授乔威尼•左奇（加州纳米系统研究所的一名成员），他同时也是这份研究报告的作者之一，他说：“我们正在学习用一种新方法来控制蛋白质。”左奇表示，这种新方法将最终引导我们研制出“能够被控制的精确制导药物”，而且这种药物的副作用非常小。左奇的实验室已经完成了一个非常重要的初始步骤，即模拟一个至关重要的细胞控制机制。

        左奇和加州大学洛杉矶分校的物理学研究生布莱恩•科尔在报告中展示了一个非常具有代表性的例子。他们在试管内针对细胞控制其蛋白质功能的化学机制做了实验，结果发现这种化学机制能够有效地被机械控制所取代。具体说来，有一种被称为“蛋白质激酶A（Protein  Kinase  A,  PKA）”的复合酶，在细胞的发信号及新陈代谢过程中起着十分关键的作用，另外，这种复合酶在细胞内是由一种到处存在的名为“cAMP”的信息传递分子所控制的。然而，左奇和他的研究生通过实验发现，这种复合酶的控制因素可以被研究人员附在它上面的纳米装置所取代，也就是说，一种纳米装置可以机械地控制这种复合酶。实际上，这种纳米装置是由DNA制成的一个分子弹簧。

        “分子生物学家们五十多年来一直信奉这样一条原则：氨基酸的序列决定了蛋白质的结构，而蛋白质的结构又决定了其功能，所以如果你想要改变蛋白质的结构，那么可行的方法就是改变氨基酸的序列。这种方法固然正确，但却不是唯一的方法。我们现在给大家介绍一种理念，你可以不改变氨基酸的序列，而只要通过机械力量就可以改变蛋白质的结构。”左奇解释说，“这一方面的研究有很多分支，可以使得人们对生物技术产生一个更好的更基础的了解，同时也能为生物技术的发展指明新的方向，更有甚者，也许还能帮助我们找到药物治疗的新手段。”

        蛋白质激酶A，即PKA，是一种由四个蛋白质亚基组成的复合物。它含有两个调节亚基（regulatory  subunits  ）和两个催化亚基（catalytic  subunits）。左奇和科尔将一个受控制的机械应力放在有活性的PKA酶的调整亚基的两个特定位置上，从而使得调整亚基跟催化亚基分离开来，进而机械地激活了PKA这种酶。

        科尔表示，为了达到预期效果，机械应力被运用于调整亚基的两个特殊位置，而要找到这些特殊位置则要求研究人员对该酶的结构有一个详细的了解。该项研究是由美国国家科学基金会出资完成的。左奇解释说，蛋白质在活细胞内非常重要，它要完成活细胞内的每一项工作。蛋白质在活细胞内的工作与休息是由一种名为“别构控制（allosteric  control）”的机制所控制的。另外，蛋白质还受到附着于其表面的其他分子的影响，这些分子可以改变蛋白质的构造，或者扭曲其形状，进而激活或停止蛋白质。

        左奇表示，cAMP粘附在PKA的调节亚基分子上，能够引起构造的改变，进而导致催化亚基与调整亚基分离开来。两组分子的分离就是这种复合酶在活细胞内如何被激活的过程。“我们能够在不动用自然激活机制，即cAMP的激活机制的同时，机械地激活这种复合酶。”左奇说，“我们相信，这种控制蛋白质的方法几乎对每种酶或复合酶都能产生效果。”

        左奇的研究小组在去年第一次展示了如何使用机械控制因素改变蛋白质构造。当时，物理学家们将一个由一短条DNA做成的可操纵分子弹簧附着在一个蛋白质上，并利用这个弹簧抑制了该蛋白质的功能。而在目前的这项新研究中，该研究小组用同样的原理成功激活了PKA酶，即使用一个分子弹簧来引起细胞内蛋白质构造上的改变，而这种改变原本是由PKA酶的自然激活因素（信号分子cAMP）来完成的。通过使用机械应力，左奇的研究小组能够模拟cAMP调整PKA的自然变构机制。PKA比左奇去年使用的蛋白质要复杂的多。

        左奇说：“我想知道，我们是否能够制造出基于细胞的基因特征来杀死细胞的分子来。针对癌细胞的治疗将是一个明显的应用领域。但这还需要更多的未来探索。目前为止，我们仅仅在试管中进行过试验。令人感到激动的部分在于，在人体外，癌细胞可能看上去同正常细胞没什么两样，但到了人体内，它们就带有明显的基因标记了。在不久的将来，也许我们能够控制更多复杂的‘分子机器’如核糖体。

        加利福尼亚州最大的大学——加州大学洛杉矶分校每年招收学生约为38000人，并由其文理学院（College  of  Science  and  Science,11个文理学院构成了UCLA的主体）颁发毕业证书，这11个专门的学校涵盖了各类学科。在研发花费总额方面，加州大学洛杉矶分校在全国大学和学院中一直排在前五位。通过获得竞争性极强的联邦及州政府的拨款和合同，加州大学洛杉矶分校每年会获得超过8.2亿美元的资金。对于加州纳税人投资在该学校中的每一美元，洛杉矶分校会在其经济活动中产生出九美元的效益，每年将有60亿美元的经济收益，从而在洛杉矶地区产生了巨大的经济影响。该大学的卫生保健网络每年接待45万病人。此外，加州大学洛杉矶分校拥有教员和工作人员2.7万多人，在世校友人数超过了35万，并且还培养了五位诺贝尔奖获得者。

        英文原文链接参见：http://www.sciencedaily.com/releases/2006/06/060610225705.htm (责任编辑：泉水)

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