◎ 科技日报采访人员 张佳星
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 。 如果光照后肿瘤就能消失 ， 如果光“指哪”药物就“打哪” ， 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 。
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《自然·生物技术》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’拥抱或远离 。 ”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采访人员 ， 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” ， 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工作原理的局限性 ， 很难用于开发设计光控基因“开关” ， 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 。
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 ， “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 。
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