光遺傳學(xué)連續(xù)幾年被認(rèn)為是諾貝爾獎(jiǎng)大熱門,，今年的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)揭曉之前一直位列預(yù)測(cè)榜第一名,。

用一束光控制生命活動(dòng),，不僅炫酷而且魔幻,，畢竟上帝創(chuàng)世第一天便說：要有光,。

如果光照后腫瘤就能消失,，如果光“指哪兒”藥物就“打哪兒”,，如果有了光神經(jīng)活動(dòng)就被激發(fā)……這樣的魔幻隨著合成生物學(xué)的精進(jìn)，正在成為現(xiàn)實(shí),。

在體內(nèi)提前“埋進(jìn)”一個(gè)感光開關(guān)：660納米（紅光）,，打開；730納米（遠(yuǎn)紅光）,，關(guān)閉,。10月4日，國際頂刊《自然·生物技術(shù)》刊登了我國科學(xué)家在光遺傳學(xué)領(lǐng)域的研究成果,，介紹這種全新的生命“光開關(guān)”的創(chuàng)造和驗(yàn)證過程,。

“在植物擬南芥中有一種光敏蛋白，不同納米的波長(zhǎng)可以讓它與自己的‘伴侶’擁抱或遠(yuǎn)離,?！痹撜撐耐ㄓ嵶髡撸A東師范大學(xué)生命學(xué)院,、上海市調(diào)控生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員葉海峰告訴科技日?qǐng)?bào)記者,，光能夠改變這種蛋白的三維結(jié)構(gòu)，因此可以利用它來設(shè)計(jì)感光“開關(guān)”,，這種新型生命“光開關(guān)”被命名為REDMAP（“紅圖”）,。

開關(guān)無延時(shí),，細(xì)胞秒反應(yīng)

和疫苗、藥物必須安全有效一樣,，生命“光開關(guān)”首先要無毒,，其次要反應(yīng)快。

在這一新型生命“光開關(guān)”誕生之前,，有很多光遺傳學(xué)系統(tǒng),。

“傳統(tǒng)的光遺傳學(xué)是利用光對(duì)光敏離子通道的控制，使得陽離子或者陰離子泵入細(xì)胞中,，激活或者抑制神經(jīng)元細(xì)胞,。”葉海峰說,，但由于此類光控離子通道蛋白工作原理的局限性,，很難用于開發(fā)設(shè)計(jì)光控基因“開關(guān)”，來控制基因表達(dá)或編輯,。

為了設(shè)計(jì)出“光開關(guān)”,，人們開始在自然界尋找對(duì)光敏感的蛋白，例如海藻的光敏蛋白,、人眼視網(wǎng)膜的光敏蛋白、紅細(xì)菌的光敏蛋白,、擬南芥的光敏蛋白等,。

猶如電子計(jì)算機(jī)“從晶體管走進(jìn)芯片時(shí)代”，生命元器件也在向小型化,、高運(yùn)算速度的方向發(fā)展,。

“只有系統(tǒng)元件足夠小，才能被載體包裝,，從而廣泛地應(yīng)用于基因治療和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中,。”葉海峰說,，元件的前期設(shè)計(jì)就應(yīng)該考慮到后期應(yīng)用,。

為此，團(tuán)隊(duì)對(duì)擬南芥中的感光基因進(jìn)行了不影響功能的截短,，同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了優(yōu)化,。

“我們篩選了很多版本，使用10余種基因調(diào)控的加強(qiáng)方法組合測(cè)試,，優(yōu)化了各種元件,，做了上百個(gè)分子克隆進(jìn)行優(yōu)化?！比~海峰回憶,，最終獲得的最優(yōu)組合,，對(duì)光的敏感性提升高達(dá)150多倍。

正是基于嚴(yán)苛的篩選和繁瑣的優(yōu)化,，植入“紅圖”系統(tǒng)的細(xì)胞,，能夠做到“秒回應(yīng)”。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)顯示,，只需紅光照射不到1秒鐘,，就能“叫醒”基因開啟表達(dá)。

光照1分鐘,，小鼠降血糖

通過設(shè)計(jì)和優(yōu)化,，“紅圖”系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生命“光開關(guān)”需要具備的小巧和靈敏。

那么,，在生命體內(nèi)是不是也能發(fā)揮作用呢,？

“很多外來的系統(tǒng)進(jìn)入體內(nèi)會(huì)失效或者被識(shí)別后消滅，但‘紅圖’系統(tǒng)不會(huì),?！比~海峰說，通過載體帶入的整個(gè)“紅圖”系統(tǒng)至少能在體內(nèi)工作3個(gè)月,。

研究團(tuán)隊(duì)將該系統(tǒng)包裝至腺相關(guān)病毒（AAV2/8）載體上并注射至小鼠體內(nèi),，成功地在小鼠體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月以上的光控基因表達(dá)。

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的臨床價(jià)值,，研究人員以胰島素治療為任務(wù),，驗(yàn)證“光開關(guān)”的作用。體內(nèi)胰島素如果過多或過少,，對(duì)于糖尿病人來說都存在風(fēng)險(xiǎn),，控制胰島素的體內(nèi)分泌量是糖尿病治療的痛點(diǎn)。

團(tuán)隊(duì)將含有該系統(tǒng)的工程化定制細(xì)胞移植到糖尿病小鼠和大鼠體內(nèi),，通過光來精準(zhǔn)的控制胰島素藥物的表達(dá),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，無需定時(shí)服用藥物或注射胰島素,，每天僅需光照1分鐘或5分鐘便可實(shí)現(xiàn)糖尿病小鼠和大鼠體內(nèi)胰島素的表達(dá),，從而精準(zhǔn)控制實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的血糖穩(wěn)態(tài)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了“紅圖”系統(tǒng)可對(duì)細(xì)胞治療進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控,。

此外,，論文中還介紹了大量系統(tǒng)驗(yàn)證工作，包括應(yīng)用于光控基因表達(dá)的控制,、細(xì)胞信號(hào)通路控制,、基因編輯、基因治療,、細(xì)胞治療等不同新興醫(yī)療手段,，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn),、靈敏、多元的調(diào)控,。

據(jù)了解,，相關(guān)工作獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“合成生物學(xué)”重點(diǎn)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金,、上海市科委合成生物學(xué)重大項(xiàng)目的資助,。