标志着生命边界的正是海绵状多孔层，这是一位看管闸门者，它控制着每个活细胞中分子的出入。完全关闭时，由蛋白质和脂肪酸组成的这种网膜（脂质双分子层）像是分子障。
这就是细胞膜：它在细胞的内部结构和细胞所依赖的外部流体之间起着屏障作用。
此膜挑选要进出的物质。根据选择，它决定细胞是否要接纳分子信使，发出信号，或者尽情地吸收充满其周围的含盐的水分。
假如人们能够控制细胞的通道，会出现什么情况？倘若人们能够依靠干预细胞的挑选机构去开启和关闭其泄洪闸门，又会出现什么情况？如果人们能够选定哪些分子通过细胞的入口而进入其内部，又会出现什么情况呢？
这样的能力可以大大加深我们对细胞膜功能的了解，而且有可能用新的方法医治癌症、输送药物和制造生物传感器（甚至金属离子检测器）。
在马萨诸塞州沃塞斯特实验生物学基金会的实验室里，分子生物学家哈根 · 贝利（Hagan Bagley）冥思苦想着这个非同寻常的细胞膜控制问题。
“我们从了解基础科学中一个简单的问题入手：由金黄色葡萄球菌分泌的水溶性蛋白质怎样穿入细胞的脂质双分子层，自行装配？他说。“由自行装配自然产生的过程本身就是令人感兴趣的。但是，它还与其它生物学过程（比如膜蛋白质怎样合成，病毒怎样与细胞融合，酶怎样分泌出来等）有很大的关系”。
贝利和他的同事发现的正是基础科学中许多有趣的问题。他们开始迫切地想知道 :这种细菌蛋白质是否可以重新设计用来在细胞膜中形成微孔，以及这些微孔对于制造传感器或输药系统是否有用？
这种追求把贝利和他的同事引到研究细胞膜的分子结构。他们已经找到用贝利所谓的“分子的启动器和开关”根据需要去开启和关闭细胞膜微孔的方法。
研究人员已经分离出称为α-溶血素的蛋白质，它能在种类繁多的细胞膜中形成微孔。这种由293种氨基酸组成的蛋白质先打一个孔通到细胞膜双分子层，接者拓宽成一个稳定的跨度为1~2纳米的六角形入口。他们之所以选择这种蛋白质，那是因为它作为毒素已被安排用于搜索并穿入其它细胞的膜。事实上，这就是它进行破坏的手段。
这种蛋白质的主要活性部位是位于分子中央富含甘氨酸的大环。该环连接着由多肽链组成的两大部分——N端和C端。一旦这种蛋白质自行结合到靶膜上，该环便潜入脂质双分子层里。
在正常情况下，它会潜伏在膜中，打出一个孔。然而，可以使这种蛋白质失去活性，只在被启动时才能形成微孔。
贝利认为，该环实际上使膜出现一个通道。该环很可能继续变成微孔的永久性衬里的组成部分。因此，研究人员的最初发现是取道于修补蛋白质的主环。科学家利用基因工程已经剪下此环的各个部分，改成其它氨基酸顺序，其中一些已经形成了对受控的开启和关闭动作敏感的微孔。
例如，利用称为定位诱变的技术，51利已经能够给环切出“缺口”，把半胱氨酸和钼氨酸缝在成串成串的氨基酸之中。“我们确实组成了数百种这种蛋白质的突变体，293个氨基酸位点中有80多个位点作了变动”。他说、。“大约有10%突变（特别是在中央环里）影响到该蛋白质的活性及其形成微孔的方法”。
确实，研究人员发现可以在中央环里造出缺口、缝隙和重叠，影响该分子与其它分子结合的途径。环区有激烈变化的突变型蛋白质会与细胞膜结合 · 但是只有在环的中点附近有缺口的那些才能有效地形成微孔。于是，研究小组认识到：巧妙地处理环的结构，就能够控制该蛋白质形成、开后和关闭微孔的能力。
举个例子来说，如果科学家把一串悬垂的“重叠的”氨基酸挂到环中，这种蛋白质便失去活性，不会形成微孔。当遇到某种特殊酶——能剪开重叠的氨基酸片的蛋白酶时，这种蛋白质又会恢复活性，在细胞膜中打开一个通道。
事实上，依靠扭动具有微妙“点突变”的环或者单独改变氨基酸顺序，他们发现，他们可以使该蛋白质只对特定的蛋白酶，某些物理和化学的信号，甚至光的刺激，作出反应。
在一种突变中，贝利小组在环的中央附近拼接一串5个组氨酸分子。该蛋白质仍然具有活性，能根据指令开启微孔。但当遇到浓度很低的某些金属离子（比如钴、镍、铜和锌等）时，便停止形成微孔。显而易见，这些金属离子能够堵住微孔。当遇到能拉走这些金属离子的螯合剂时，微孔便重新开启。
实际上，这种5个组氨酸分子顺序起着一个开关的作用，可被接通或断开，用于开启或关闭细胞膜通道。
“这是第一流研究成果”，加利福尼亚州拉卓莱地区斯科里普斯研究所分子生物学家M. 莱泽 · 法迪瑞（M. Reza Ghadiri）说。“它巧妙地利用分子生物学的手段来了解自然系统是怎样工作的并对它加以修改。这些系统是非常难设计的。进入细胞膜的物质千差万别。”
“这是一整套有趣的研究，”法迪瑞补充说。贝利“在化学、生物学和材料科学的交界进行研究，采纳每个学科手段的优点。这就是分子生物学的前景”。
帕萨迪纳市加利福尼亚州理工研究院化学工程师弗朗西丝H. 阿诺德（France H. Arnold）表示赞成。“就创造复杂结构而言，自然界肯定胜过我们一筹”，她说。“不过，对于像溶血素那样复杂的东西，我想贝利已经提出了一个极好的实验系统。现在他可以检验一下独特的想法”。
为了创造其它类型细胞膜转换开关，贝利小组目前正在探索怎样把光敏片断拼接到环中。从理论上说，把细胞浸在能形成微孔的蛋白质里，接着把它们暴露于某种特殊波长的光之中，它们就可以自行开启，恰好达到足以接纳某种药物为止，然后关闭。
“有一种想法就是要利用这些蛋白质使转移性癌细胞自取灭亡”，贝利说。“这种想法是用遗传学方法把蛋白质设计成无活性的，但会被某些肿瘤细胞中蛋白酶所激活。这样做就只能在这些肿瘤细胞中形成微孔”。
“单独依靠形成微孔不会杀死肿瘤细胞，不过这会使某些细胞毒剂更容易渗入这些肿瘤细胞”，贝利补充说。“于是我们可以设计出在正常情况下不被细胞吸收的毒剂，当这些毒剂被吸收时，它们就是致命的。由于只有肿瘤细胞才能激活这种蛋白质，因而毒素只杀死肿瘤细胞”。
贝利还设想一种把药物输送到特定部位的系统。例如，称为脂质体的脂性微囊可以把化学制剂输送到体内远处靶细胞群。脂质体本身可以带着能在细胞膜中形成微孔的蛋白质。当它们与所搜寻的细胞接触时，这些细胞的蛋白酶就会引发药物释放。
如果操纵α-溶血素与光而不是与蛋白酶起作用，便会出现其它令人感兴趣的情况。可以把能形成微孔的蛋白质引入肿瘤细胞或者引入携带药物至肿瘤部位的脂质体。用激光器或光纤探测器把光照在特定区域，就可以使肿瘤细胞吸收有毒的药物。当然，这些细胞未必是发生癌变的。从理论上说，只要把能形成微孔的蛋白质和输送系统设计得当，任何器官或细胞群都可接受一剂适量的任何药物。
“这种技术可以应用于皮肤、肺、结肠。有人可以吸入或摄入某种物质，这种物质只有在用光纤仪器发出某种特定波长的光会引起那些能形成微孔的蛋白质具有活性的部位才能被激活。脂质体可以把药物只释放到很小的区域，”贝利说。
“可是，为何要停止在严谨的生物学应用呢？这些蛋白质可以制成对金属或许最终对几乎任何分子都十分敏感的会接通开关的独特传感器”，贝利说。
他希望从100，000种突变型蛋白质中挑选出100种最佳的，用这些建立一个“传感器文库”。每种突变体都可以与一种特定的金属离子结合。把蛋白质制成具有通用的环，研究人员就有可能以特定的核苷酸顺序插进“匣子”里。
“有了这些匣子，我们就可以给成千上万种各种各样蛋白质编码”，贝利说。
根据这个文库，贝利设想能够快速而灵敏地检测出远处低含量金属的简单传感器。“有人可以用它找出垃圾场里有毒的金属”，他说。“只要把它浸入浊水池，就能知道那里锌，或镉，或汞有多少”。
从理论上说，无论如何，这一原理同样适用于体液。有时，可以制作一份突变型蛋白质图谱置于专用仪器里，用来快速揭示人的血液化学成分——或者至少迅速查出毒素或金属。
从事蛋白质膜研究的人很少，他们戴着两顶帽子，“波士顿大学分子物理学家肯尼思J. 罗思施尔德（Kenneth J. Rothschild）说。“一个目标是要了解这些膜蛋白质怎样起作用，这是非常重要的，因为它们是生命系统中最关键的组成部分之一。而另一个目标则是要找到当把这些蛋白质与人造系统结合时维持其功能的方法，这可能产生巨大的技术效果。从头开始设计一种有机成分，比起从一个生命系统取出一种成分加以修改另作它用，要困难得多。
“设想一种全系列可能含有膜蛋白质的未来器件，好像它们就是计算机电路一样，把它们几百万个装进一个很小的空间”。罗思施尔德称之为生物分子电子设备。
“贝利的科研项目就是在这个领域前沿从事研究的最佳实例之一。他在修改某种蛋白质去做某项有用的事情，设想某种能检测毒素或某些波长的光的检测器。人们甚至可以造出人造鼻子，嗅出空气中的污染源、变应源［或］病原体，告知在您周围的空气是好还是坏，”罗思施尔德推测。
“然而，我真正感兴趣的是关于这些蛋白质怎样进行装配的基础生物学”，贝利说，
[Science News，1994年9月24日］