上海交大生命科學技術學院科研團隊在人工無膜細胞器研究方面取得...

2020-11-26 上海交通大學新聞網

近日，上海交通大學生命科學技術學院、微生物代謝國家重點實驗室科研團隊首次在原核生物構建了人工無膜細胞區室，揭示了類蛛絲蛋白、節肢彈性蛋白等固有無序蛋白液-液相分離區室化的生物大分子機制，建立了螢光蛋白、酶等蛋白融合共定位至區室的功能化平臺。相關研究成果以「Formation and functionalization of membraneless compartments in Escherichia coli」為題發表於Nature Chemical Biology雜誌。上海交通大學研究生韋紹鵬、胡春飛及合作研究的錢志剛副研究員為共同第一作者，夏小霞教授為通訊作者，該文作者還包括受聘上海交通大學顧問教授的韓國科學技術院李相燁教授等。

生命體進化經歷了從無到有、從簡單到複雜的過程。在複雜的真核細胞內，存在經典的有膜細胞器和沒有脂膜包被的無膜細胞器。這類近年才備受關注的無膜細胞器，廣泛分布於細胞核、細胞質甚至細胞膜上，形成類似於胞內「小液滴」的特殊微環境，通過富集蛋白質、核酸等大分子參與代謝等重要的生理和病理過程。在尚未進化出有膜細胞器的原核細胞中，是否存在無膜的亞細胞結構，啟發生物學家的深入思考和長期探索。

該團隊長期研究蛋白質材料的設計及微生物合成，仿生合成的蛛絲蛋白、類節肢彈性蛋白，因為含有高度重複的固有無序結構域，與真核生物中的無膜細胞器蛋白組分極為類似。受此啟發，該團隊首先考察上述材料蛋白在原核細胞中的定位，發現經螢光標記的目標蛋白在模式細胞大腸桿菌的兩極形成聚集體（見圖1），與基本不可溶、無活性的包涵體迥然不同，而且未進行標記的材料蛋白本身也擁有類似的區室化行為。該團隊通過體外重構模擬胞內微環境，揭示了材料蛋白液-液相分離形成亞細胞區室的分子機制。在此基礎上，研究中將金屬硫蛋白等具有催化功能的酶分子與材料蛋白融合，通過單個或多個融合蛋白的胞內區室化共定位，實現了預期的人工無膜區室功能化，展現了原核細胞內生物合成時空可控的可行性和優越性。

圖1 人工無膜細胞器的形成及功能化

該研究受真核無膜細胞器啟發，賦予了原核生物原本不具備的功能化無膜區室，不僅打破了這類細胞器僅限於真核細胞的固有認知局限，而且破解了由於胞內固有環境的差異難以將已有真核無膜細胞器嫁接到原核細胞的天然障礙，為原核細胞內生化反應的人工時空調控及其合成生物學應用提供了新機遇。

該研究獲得國家自然科學基金（21674061，21406138和31470216）和科技部國家重點研發計劃（2016YFE0204400）的資助。

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41589-020-0579-9.

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