细胞通讯并不像普通电路一样简单，「乐高积木」式的信号传导成为药物开发新思路
细胞分子的信号传导，绝不是像简单的电子电路传导，而是类似于 “乐高积木” 式的组合系统。
加州理工学院的 Michael Elowitz 一直致力于细胞和发育回路中的基因回路动力学的研究，他还在普林斯顿攻读研究生时便表现了对合成生物学浓厚的兴趣，他同导师 Stanislas Leibler 一起，将一组基因插入大肠杆菌中，诱导细胞产生荧光蛋白的可控波动，这就像电子振荡器（oscillator，在电路中将直流电能转换为具有一定频率的交流电能）一样，第一次设计并展示了一种在活细胞中的功能性 “电路”。
图 | 加州理工学院的系统生物学家 Michael Elowitz
然而当时还没迈出校园的他，还没意识到细胞分子信号有多复杂。
在细菌中，类似电路逻辑的通路的确相对简单。但在复杂生命体中，情况却并非如此。在细菌中，单一蛋白质就可以进行调节，但在更复杂的生物体中，会有很多蛋白质。
“生物细胞与细胞之间的通讯回路，以及它们混乱相互作用的配体和受体家族，看起来就像一团乱麻，而且使用的结构与我们合成生物学家设计的结构可能相反 ,” Elowitz 说。
他和同事最近进行了一项研究，观察了形成人类和其他复杂动物胚胎的一个关键发育途径中的蛋白质相互作用。随后发现，复杂的生命系统的逻辑十分混乱，充满了不同的分子组合，这背后是一个复杂的信号处理系统。
视频 | 微流体芯片通道中的细菌在 “阻遏器” 的控制下产生有序的荧光蛋白序列，这是一个插入的遗传电路。这种基因控制在复杂细胞中更难建立，因为它们的分子信号更加复杂。（来源：Quanta Magazine）
这看起来一头乱麻，实则可以从复杂的信号分子混合物中可靠有效地提取信息。
Elowitz 认为有证据表明组合规则可能是细胞分子布线的 “设计原则”。
以 BMP（一种生长因子蛋白）为例，哺乳动物的基因编码 11 种或更多不同的 BMP 蛋白，BMP 以相同或不同的蛋白质的结合对或二聚体形式起作用，每个 BMP 二聚体可以粘附在几对不同的受体上。
由于这种组合模式，它在不同类型的细胞中，或在不同发育阶段的同一细胞类型中，传导的信号可能完全不同，BMP 不仅促进骨骼生长，也在软骨、肾脏、眼睛和早期大脑中表达。
因此，与其说 BMP 是一种信号信息，倒不如说是一个信使。
图 | Samuel Velasco/Quanta Magazine
加州理工学院的 Christina Su、以色列的 Antebi 和芝加哥大学的 Arvind Murugan 的数学建模表明，与一对一的分子相互作用相比，混杂的相互作用系统展示了一系列潜在优势。
Elowitz 说：“我们现在要做的是准确地弄清楚这些系统实际计算的功能类型，以及这些计算能够实现哪些更高级别的功能”。
苏黎世大学的进化生物学家 Andreas Wagner 也表示赞同，这样混杂系统的好处可能就在于其多功能性，不过他也补充了另一种可能性：细胞内存在多种多样的分子，它们不可避免地会发生碰撞，如果它们无法适应各种突发情况的话，那么产生的成本很可能令人望而却步，所以 Elowitz 的调节网络组合逻辑有可能是这种适应性的例子。
“细胞可能有看似草率的系统，但正确的组合可以发挥出正确的功能”，Wagner 说。配体结合的组合系统为细胞创造了很多选择，又为生物体提供了更多的进化性和适应性。
不过生物分子网络的这种 “草率” 很可能对药物开发产生重要影响，“普通医学面临的一个挑战是，药物可能对靶蛋白非常特异，但该靶蛋白在表达它的细胞类型方面可能是非特异性的，” Elowitz 说。
Elowitz 团队的工作表明，药物可能需要的不仅仅是单分子 “魔法子弹”：它们必须击中组织特异性靶点的不同组合，才能引起所需的反应。
以前我们仅仅将生物中的细胞分子信号传导比喻成电子电路，但 BMP 信号系统已经表明，生物体细胞信号传导比我们想象的更复杂，即使是基因相同的细胞，在不同的系统中协同工作时也适用于不同的规则。
或许只有以这样复杂的方式才让人类这样的生物得以存在。