坦佩雷大学的研究人员参与了一项国际研究，旨在开发光激活细胞控制的新工具。这些工具对于理解快速初始信号导致细胞或组织功能长期变化的过程特别受欢迎。模块化的乐高积木状结构使该工具广泛适用于多种细胞功能的研究。

用光控制生物功能为各个领域开辟了新的机遇，尤其是在神经科学领域。光可以在特定位置严格控制激活，并实现从单个细胞到整个生物体的不同尺度的控制。在分子水平上，光学控制通常是通过对特定波长的光起反应的修饰蛋白质来实现的。

然而，使用目前的工具，效果显现得很慢，并且持续的效果需要持续的光激活。这既限制了这些方法在控制快速过程中的适用性，又导致所研究的细胞或生物体产生不必要的毒性。

芬兰坦佩雷大学的研究人员与剑桥大学和匹兹堡大学的研究小组一起探索了克服现有细胞光控制工具局限性的方法。基于他们之前在形成不可逆键的蛋白质方面的专业知识，该团队旨在实现一个雄心勃勃的目标：快速且对细胞友好的控制不可逆蛋白质结合。

由此产生的研究文章“可见光诱导的特异性蛋白质反应描绘了细胞粘附的早期阶段”已发表在《美国化学会杂志》上。

作为起点，该团队使用了他们之前开发的“蛋白质强力胶”，即SpyTag003/SpyCatcher003肽/蛋白质对，表现出极快的不可逆结合。SpyTag003/SpyCatcher003肽/蛋白质对基于工程化脓性链球菌蛋白质，可实现复杂蛋白质结构的乐高积木式模块化组装。

为了实现他们的目标——蛋白质强力胶的光学控制——该团队必须超越构成人类蛋白质的20种氨基酸。研究小组利用古细菌改良的蛋白质合成机制，将光反应性非天然氨基酸整合到SpyCatcher003蛋白质中。非天然氨基酸被策略性地放置以阻断肽/蛋白质配对，直到其通过暴露于光而被激活。

“短脉冲光足以在试管和活细胞中触发不可逆肽/蛋白质复合物的快速有效形成，”MarkHowarth教授在谈到光激活SpyCatcher003的性能时说道。“重要的是，激活仅在特定波长的光下发生，使得将蛋白质控制与活细胞荧光显微镜相结合成为可能。”

在验证了不可逆蛋白质偶联的光学控制方法后，该团队渴望使用该系统来回答细胞生物学中的基本问题。人体细胞通过细胞粘附附着于周围组织;由数百种不同蛋白质组成的大型蛋白质复合物。细胞-基质粘附不断对细胞内外产生的刺激做出反应，是极其动态的。

“它们的动态结构和巨大的复杂性使得细胞粘附难以研究。细胞-基质粘附最初如何形成以及它们如何对不同刺激做出反应的细节在很大程度上仍然未知，”研究细胞粘附调节的VesaHytönen教授说多年。

研究小组将中央粘附蛋白踝蛋白分成两半，并探索使用他们新开发的工具来光激活活细胞内的踝蛋白。

“当我们第一次意识到该系统在控制复杂的细胞过程(例如粘附的形成和细胞扩散)方面效果如何时，我们感到非常兴奋。用短光脉冲激活talin蛋白后，我们观察到了立即的细胞反应，”该研究文章的主要作者、博士后研究员RolleRahikainen说道。

这种对粘附形成的严格控制使研究小组能够探索细胞粘附形成的最早事件。通过跟踪蛋白质招募到粘附复合物中的时间，研究小组能够确定粘附复合物形成事件的时间表。研究结果证明了光激活蛋白强力胶在研究复杂细胞过程方面的潜力。该结果也为全面理解粘附的复杂结构和功能铺平了道路。

用于快速且不可逆的蛋白质缀合的新工具突破了光学细胞控制的界限。快速且不可逆的蛋白质缀合在短暂的初始信号导致细胞或组织功能长期变化的过程中尤其有价值。此类过程的例子包括干细胞分化过程中基因表达的调节以及病毒感染过程中免疫细胞的激活。重要的是，新型工具的模块化结构使其广泛适用于控制各种细胞过程。

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