细菌注射系统在小鼠和人类细胞中传递蛋白质

随着进一步的发展，可编程系统可应用于一系列应用，包括基因和癌症治疗

麻省理工学院麦戈文大脑研究所和哈佛大学布罗德研究所的研究人员利用天然细菌系统开发了一种新的蛋白质传递方法，可在人类细胞和动物中发挥作用。这项技术今天在《自然》杂志上描述，可以编程交付各种蛋白质，包括基因编辑的蛋白质，到不同的细胞类型。该系统有可能成为一种安全有效的途径，用于传递基因治疗和癌症治疗。

该团队由麻省理工学院副教授、麦戈文研究所调查员和布罗德研究所核心成员张锋领导。他们利用由一种细菌产生的微小注射器状结构，这种结构自然地结合昆虫细胞并将蛋白负载注入它们。研究人员使用人工智能工具AlphaFold来设计这些注射器结构，以将一系列有用的蛋白质交付到人类细胞和活体小鼠的细胞中。

该研究的第一作者、麻省理工学院生物工程研究生和张的实验室成员Joseph Kreitz表示：“这是蛋白质工程如何改变自然系统生物活性的一个非常好的例子。我认为它证明了蛋白质工程作为生物工程和新疗法系统开发的一个有用工具。”

张教授是该研究的通讯作者，也是麻省理工学院神经科学的詹姆斯和帕特里夏·波特拉斯教授和霍华德·休斯医学研究所的调查员。

通过收缩注射

共生细菌使用大约100纳米长的注射器状机器将蛋白质注入宿主细胞中，以帮助调整它们周围的生物学并增强其生存能力。这些名为细胞外可收缩注射系统（eCISs）的机器由一个刚性管子和一个外套组成，后者收缩，驱动管子末端的针刺穿细胞膜，迫使管子内的蛋白负载进入细胞。

在eCIS的一端外部是尾纤维，它们识别细胞表面的特定受体并锁定。先前的研究表明，eCIS可以自然地针对昆虫和小鼠细胞，但Kreitz认为通过重新设计尾纤维以绑定不同的受体，可能有可能将它们修改为传递蛋白质到人类细胞。

研究人员使用AlphaFold来预测蛋白质的结构，重新设计由Photorhabdus细菌产生的eCIS的尾纤维以绑定人类细胞。通过重新设计复合物的另一部分，科学家们欺骗注射器将他们所选的蛋白质交付，有些情况下效率非常高。

该团队制造出了针对表达EGF受体的癌细胞的eCIS，并表明它们几乎杀死了100％的细胞，但未影响没有受体的细胞。尽管效率在一定程度上取决于系统设计用于针对的受体，但Kreitz表示，这些发现证明了该系统通过精心的工程具有潜力。

研究人员还使用eCIS将蛋白质传递到活体小鼠的大脑中——其中没有引起可检测的免疫反应，这表明eCIS未来有可能被用于安全地将基因疗法传递给人类。

包装蛋白质

Kreitz表示，eCIS系统是多功能的，该团队已经将其用于传递一系列货物，包括基因编辑系统中使用的大型DNA切割酶Cas9、对癌细胞有毒的蛋白质和能够使单个字母改变DNA的碱基编辑蛋白质。

未来，Kreitz表示，研究人员可以通过重新设计eCIS系统的其他组件来调整其他属性，或传递其他货物，如DNA或RNA。他还希望更好地了解这些系统在自然界中的功能。

该工作部分得到了美国国立卫生研究院、霍华德·休斯医学研究所、麻省理工学院波特拉斯精神疾病研究中心、麻省理工学院杨可立分子治疗中心、麻省理工学院杨可立大脑身体中心、广泛疗法礼品捐赠者、Pershing Square基金会、William Ackman、Neri Oxman、J.和P.波特拉斯、Kenneth C. Griffin、BT慈善基金会、Asness家族基金会、Phillips家族、D. Cheng和R. Metcalfe的支持。