Nature|张锋团队借助AI开发出全新蛋白质定向递送系统

2023年3月29日，张锋教授及其团队在 Natrue 期刊发表了题为：Programmable protein delivery with a bacterial contractile injection system的研究论文。通过AlphaFold辅助蛋白质设计开发了一种蛋白质递送系统——改造、利用独特的细菌“注射器”将蛋白质注射到人类细胞中。这一系统为将各种蛋白质（包括用于基因编辑的蛋白质）递送到不同类型的细胞提供了一种安全有效的方式，有望改变基因治疗、癌症治疗等前沿疗法格局。

内共生细菌是一类特殊的细菌，它们可以寄生在宿主细胞的内部，并已然进化出复杂的传递系统使其分泌调节宿主细胞的生物因子。例如，细胞外可收缩注射系统（eCIS），正是这样一种类似于“注射器”的大分子复合物。eCIS通过驱动一个“针头”结构穿透细胞膜，然后将携带的蛋白质有效载荷注入到真核细胞中。

在这项最新研究中，张锋团队首先选定了eCIS的一个亚型——Photorhabdus virulence cassette（PVC）。PVC由一个约20kb的操纵子组成，包含16个核心基因（pvc1-16），以及下游的有效载荷Pdp1和Pnf。研究团队发现，PVC有效载荷蛋白的N端高度无序区域是其“包装结构域”，只要将其与想要递送的蛋白（例如GFP）融合，就能将其加载到PVC复合体中。

PVC系统可以被重新编程以在真核细胞中定制蛋白递送

于是，研究团队使用人工智能蛋白设计平台AlphaFold，通过氨基酸序列预测蛋白质结构，重新设计了发光杆菌的注射器，使之从靶向结合昆虫细胞改为靶向结合人类细胞。类似的，这套系统也可以学会靶向小鼠细胞。细胞实验的结果显示，经过改造，“注射器”识别人类细胞和小鼠细胞的效果接近100%。

同时，研究人员通过重新设计发光杆菌eCIS的另一部分，还能根据需要让它们装载不同的蛋白质，包括基因编辑系统的核酸酶Cas9、碱基编辑器、可以杀死癌细胞的毒素等。

重新设计细菌的胞外可收缩注射系统，将其改造为专门靶向特定人类细胞递送所需蛋白质的装置

结果表明，PVC系统经过改造后可以在细胞和体内靶向递送蛋白质，并在基因编辑、癌症治疗和临床靶向递送等领域展现出广阔的应用前景，未来可能成为许多生物疗法的关键递送工具。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05870-7