在毛毛蟲的腸道內住著一條蠕蟲，蠕蟲體內潛伏著一種名為費氏光桿菌的生物發光細菌，這種細菌使毛毛蟲在黑暗中發光。但是，這種俄羅斯套娃般的結構還有另一個更具危害性的作用：細菌分泌一種致命的分子注射器，長100奈米，可以附著在昆蟲的細胞上。一旦附著到細胞上，注射器就會將分子矛刺穿細胞膜，釋放出毒性有效載荷。隨著昆蟲宿主的死亡和分解，細菌逃逸去侵佔下一個受害者。
在今天發表於《自然》雜誌上的一篇論文中，研究人員報告稱改造了費氏光桿菌的注射器——稱為收縮注射系統——使其可以附著到人體細胞並將大型蛋白質注入其中。這項工作可能為將各種治療性蛋白質遞送到任何型別的細胞中提供一種方法，包括可以“編輯”細胞DNA的蛋白質。斯坦福大學的基因療法研究員馬克·凱（Mark Kay）說：“這是一種非常有趣的方法，我認為它在您想要表達可以進行基因組編輯以糾正或敲除在遺傳疾病中突變的基因的蛋白質時，可能會非常有用。”他沒有參與這項研究。
奈米注射器可以為對微調基因感興趣的科學家提供一個關鍵工具。該研究負責人、麻省理工學院麥戈文腦研究所和麻省理工學院和哈佛大學博德研究所的分子生物學家張鋒說：“遞送可能是基因編輯最大的未解決問題。” 張鋒以其開發基因編輯系統CRISPR-Cas9而聞名。張鋒說，現有技術可以將編輯機制“插入到一些組織、血液、肝臟和眼睛中，但我們沒有一個好的方法可以到達其他任何地方”，例如大腦、心臟、肺或腎臟。注射器技術也為治療癌症帶來了希望，因為它可以被設計成附著在某些癌細胞上的受體上。
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張鋒一直在尋找將基因編輯酶遞送到細胞的新方法，兩年前，他和他的研究生約瑟夫·克雷茨閱讀了兩篇關於費氏光桿菌注射系統的論文。該系統是獨特的，因為它適用於昆蟲細胞。張鋒說：“這是非常罕見的例子之一，其中細菌物質注入動物細胞”，而不是注入另一個細菌細胞。“我們認為，如果它可以注入動物細胞，也許它也可以在人體細胞上起作用。”
研究人員透過將注射器的基因藍圖插入大腸桿菌細菌中，大規模生產了微型注射器。大腸桿菌盡職盡責地分泌出微小的注射器，當暴露於昆蟲細胞時，這些注射器會結合到它們並按預期注入毒素。但是，當克雷茨和張鋒在人體細胞上測試這些注射器時，它們未能奏效。張鋒說：“所以我們必須弄清楚：我們如何改造這東西？”
張鋒的團隊專注於注射器上稱為尾纖維的觸手狀結構，這些結構在注射器刺穿細胞膜之前抓住並附著在細胞上。研究人員以100多種不同的方式調整了這些纖維，試圖使它們附著在人體細胞上。但都失敗了。然後，在專案進行大約一年後，新發布的人工智慧軟體AlphaFold前來幫助他們。AlphaFold可以根據氨基酸序列預測蛋白質的三維結構。尾纖維蛋白的3D檢視幫助研究小組弄清楚瞭如何改變它，使其能夠可靠地附著在人體細胞上。
在一項實驗中，研究小組能夠製造出帶有改變的尾纖維的奈米注射器，使其附著在一些人類癌細胞表面的表皮生長因子受體（EGFR）上。用毒素載入注射系統幾乎殺死了所有帶有受體的細胞，但沒有傷害其他細胞，這說明了它的特異性。研究人員還定製了注射器的尾纖維，以識別其他細胞型別表面的標記物。
張鋒的團隊還發現，透過在蛋白質上新增一個標籤，可以將各種蛋白質有效載荷裝入該系統，這個標籤將它們標記為需要裝載到注射器針頭上的彈藥。科學家們將這個標籤附加到蛋白質毒素和基因編輯酶Cas9上，Cas9是一種大型分子剪刀，可以在分子指定的位置剪斷DNA，該分子將剪刀引導到正確的位置。當這些蛋白質被遞送到人體細胞時，它們要麼殺死細胞，要麼編輯細胞的基因。張鋒說：“我們表明，僅僅透過在蛋白質上新增一個標籤，我們就可以將不同型別的蛋白質裝載到這些針頭中。”張鋒說，每個針頭還可以裝載蛋白質的多個副本，以增加劑量。
為了進一步探索這項技術，研究人員再次使用AlphaFold來改造這些微小的注射器，使其結合到小鼠細胞，並將它們注射到小鼠的大腦中，在那裡他們將一種蛋白質插入神經元，使細胞發光。北卡羅來納州立大學研究CRISPR-Cas的遺傳學家羅道夫·巴朗古（Rodolphe Barrangou）說：“能夠在小鼠顱內進行操作，並看到在實際神經元中遞送實際有效載荷——這令人驚歎和印象深刻。”他沒有參與這項新研究。
然而，這項技術仍處於非常早期的階段。張鋒計劃提高其作為遞送裝置的效率，並嘗試非蛋白質有效載荷，如DNA和RNA。凱說，未來，在“更高階的哺乳動物”中測試這項技術將非常重要。“有很多在小鼠或較小哺乳動物身上效果很好的東西，最終在非人靈長類動物或人類身上效果不佳，”他補充道。而且，由於注射系統由細菌蛋白質組成，它們也可能導致人類的免疫反應。張鋒說：“我們需要知道：如果我們將其放入人體，它的免疫原性如何？”
巴朗古說，儘管如此，這項工作突出了生物靈感對於解決生物學和醫學中困難技術問題的重要性。“這是一個非常好的例子，說明了專注於從天然生物暗物質中挖掘出具有實際用途且足夠好到可以部署的感興趣的專案。”