光遗传学连续几年被认为是诺贝尔奖大热门，生理学或医学奖揭晓之前一贯位列预测榜第一名。
用一束光掌握生命活动，不仅炫酷而且魔幻。如果光照后肿瘤就能消逝，如果光“指哪”药物就“打哪”，如果有了光神经活动就被引发……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·生物技能》刊登我国科学家在光遗传学领域的研究成果，先容这种全新的生命“光开关”的创造和验证过程。
《自然·生物技能》杂志网站截图
“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’拥抱或阔别。”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见告科技日报，光能够改变这种蛋白的三维构造，因此可以利用它来设计感光“开关”，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“出身之前，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掌握，使得阳离子或者阴离子泵入到细胞中，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事情事理的局限性，很难用于开拓设计光控基因“开关”，掌握基因表达或编辑。
为了设计出“光开关”，人们开始在自然界探求对光敏感的蛋白，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。
犹如电子打算机“从晶体管走进芯片时期”，生命元器件也在向小型化、高运算速率的方向发展。
三分钟看懂生命“光开关”红图系统。
“只有系统元件足够小，才能被载体包装，从而广泛地运用于基因治疗和根本医学研究中。”叶海峰说，元件的前期设计就该当考虑到后期运用。
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，同时对全体系统的性能进行了优化。
“我们筛选了很多版本，利用十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。”叶海峰回顾，终极得到的最优组合，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，“红图”系统植入的细胞，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”须要具备的小巧和灵敏。
那么，在生命体内是不是也能发挥浸染呢？
“很多外来的系统进入体内会失落效或者被识别后消灭，但‘红图’系统不会。”叶海峰说，通过载体带入的全体“红图”系统至少能在体内事情3个月。
研究团队将该系统包装至腺干系病毒（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三个月以上的光控基因表达。
研究职员将装载“红图”系统的工程化细胞移植至小鼠、大鼠和兔的皮下，1-5分钟红光光照即可勾引报告基因高效表达。
为了验证该系统的临床代价，研究职员以胰岛素治疗为任务，验证“光开关”的浸染。体内胰岛素如果过多或过少，对付糖尿病人来说都存在风险，掌握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，通过光来精准的掌握胰岛素药物的表达。实验结果显示，在糖尿病小鼠和大鼠模型中，无需定时服用药物或注射胰岛素，每天仅需光照一分钟或五分钟便可实现小鼠和大鼠体内胰岛素的表达，从而精准掌握实验动物的血糖稳态。实验验证了“红图”系统对细胞治疗进行精准调控。
研究团队合影
此外，论文中还先容了大量系统验证事情，包括运用于光控基因表达的掌握、细胞旗子暗记通路掌握、基因编辑、基因治疗、细胞治疗平分歧新兴医疗手段，实现精准、灵敏、多元的调控。
据先容，干系事情得到国家重点研发操持“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帮助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41587-021-01036-w
文中图片视频由研究团队供应
来源： 科技日报
