在毛毛虫的肠道内住着一条蠕虫，蠕虫体内潜伏着一种名为费氏光杆菌的生物发光细菌，这种细菌使毛毛虫在黑暗中发光。但是，这种俄罗斯套娃般的结构还有另一个更具危害性的作用：细菌分泌一种致命的分子注射器，长100纳米，可以附着在昆虫的细胞上。一旦附着到细胞上，注射器就会将分子矛刺穿细胞膜，释放出毒性有效载荷。随着昆虫宿主的死亡和分解，细菌逃逸去侵占下一个受害者。
在今天发表于《自然》杂志上的一篇论文中，研究人员报告称改造了费氏光杆菌的注射器——称为收缩注射系统——使其可以附着到人体细胞并将大型蛋白质注入其中。这项工作可能为将各种治疗性蛋白质递送到任何类型的细胞中提供一种方法，包括可以“编辑”细胞DNA的蛋白质。斯坦福大学的基因疗法研究员马克·凯（Mark Kay）说：“这是一种非常有趣的方法，我认为它在您想要表达可以进行基因组编辑以纠正或敲除在遗传疾病中突变的基因的蛋白质时，可能会非常有用。”他没有参与这项研究。
纳米注射器可以为对微调基因感兴趣的科学家提供一个关键工具。该研究负责人、麻省理工学院麦戈文脑研究所和麻省理工学院和哈佛大学博德研究所的分子生物学家张锋说：“递送可能是基因编辑最大的未解决问题。” 张锋以其开发基因编辑系统CRISPR-Cas9而闻名。张锋说，现有技术可以将编辑机制“插入到一些组织、血液、肝脏和眼睛中，但我们没有一个好的方法可以到达其他任何地方”，例如大脑、心脏、肺或肾脏。注射器技术也为治疗癌症带来了希望，因为它可以被设计成附着在某些癌细胞上的受体上。
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张锋一直在寻找将基因编辑酶递送到细胞的新方法，两年前，他和他的研究生约瑟夫·克雷茨阅读了两篇关于费氏光杆菌注射系统的论文。该系统是独特的，因为它适用于昆虫细胞。张锋说：“这是非常罕见的例子之一，其中细菌物质注入动物细胞”，而不是注入另一个细菌细胞。“我们认为，如果它可以注入动物细胞，也许它也可以在人体细胞上起作用。”
研究人员通过将注射器的基因蓝图插入大肠杆菌细菌中，大规模生产了微型注射器。大肠杆菌尽职尽责地分泌出微小的注射器，当暴露于昆虫细胞时，这些注射器会结合到它们并按预期注入毒素。但是，当克雷茨和张锋在人体细胞上测试这些注射器时，它们未能奏效。张锋说：“所以我们必须弄清楚：我们如何改造这东西？”
张锋的团队专注于注射器上称为尾纤维的触手状结构，这些结构在注射器刺穿细胞膜之前抓住并附着在细胞上。研究人员以100多种不同的方式调整了这些纤维，试图使它们附着在人体细胞上。但都失败了。然后，在项目进行大约一年后，新发布的人工智能软件AlphaFold前来帮助他们。AlphaFold可以根据氨基酸序列预测蛋白质的三维结构。尾纤维蛋白的3D视图帮助研究小组弄清楚了如何改变它，使其能够可靠地附着在人体细胞上。
在一项实验中，研究小组能够制造出带有改变的尾纤维的纳米注射器，使其附着在一些人类癌细胞表面的表皮生长因子受体（EGFR）上。用毒素加载注射系统几乎杀死了所有带有受体的细胞，但没有伤害其他细胞，这说明了它的特异性。研究人员还定制了注射器的尾纤维，以识别其他细胞类型表面的标记物。
张锋的团队还发现，通过在蛋白质上添加一个标签，可以将各种蛋白质有效载荷装入该系统，这个标签将它们标记为需要装载到注射器针头上的弹药。科学家们将这个标签附加到蛋白质毒素和基因编辑酶Cas9上，Cas9是一种大型分子剪刀，可以在分子指定的位置剪断DNA，该分子将剪刀引导到正确的位置。当这些蛋白质被递送到人体细胞时，它们要么杀死细胞，要么编辑细胞的基因。张锋说：“我们表明，仅仅通过在蛋白质上添加一个标签，我们就可以将不同类型的蛋白质装载到这些针头中。”张锋说，每个针头还可以装载蛋白质的多个副本，以增加剂量。
为了进一步探索这项技术，研究人员再次使用AlphaFold来改造这些微小的注射器，使其结合到小鼠细胞，并将它们注射到小鼠的大脑中，在那里他们将一种蛋白质插入神经元，使细胞发光。北卡罗来纳州立大学研究CRISPR-Cas的遗传学家罗道夫·巴朗古（Rodolphe Barrangou）说：“能够在小鼠颅内进行操作，并看到在实际神经元中递送实际有效载荷——这令人惊叹和印象深刻。”他没有参与这项新研究。
然而，这项技术仍处于非常早期的阶段。张锋计划提高其作为递送装置的效率，并尝试非蛋白质有效载荷，如DNA和RNA。凯说，未来，在“更高级的哺乳动物”中测试这项技术将非常重要。“有很多在小鼠或较小哺乳动物身上效果很好的东西，最终在非人灵长类动物或人类身上效果不佳，”他补充道。而且，由于注射系统由细菌蛋白质组成，它们也可能导致人类的免疫反应。张锋说：“我们需要知道：如果我们将其放入人体，它的免疫原性如何？”
巴朗古说，尽管如此，这项工作突出了生物灵感对于解决生物学和医学中困难技术问题的重要性。“这是一个非常好的例子，说明了专注于从天然生物暗物质中挖掘出具有实际用途且足够好到可以部署的感兴趣的项目。”