自然子课题:人工无膜细胞器的设计原理和应用

来源：上海交通大学2022-11-28 10336009

对天然无膜细胞器结构和功能的研究，启发了科学家有目的地改造甚至从零开始设计无膜细胞器，赋予工程细胞更好或前所未有的新功能。

近日，上海交通大学夏研究组受邀于《Nature Chemical Biology》发表题为《细胞与代谢工程用合成蛋白质凝聚体》的综合论文，系统阐述了人工蛋白质凝聚体(无膜细胞器)(图1)的设计原理和构建方法，及其在细胞生理代谢调控中的前沿应用。生命科学技术学院钱志刚副教授为第一作者，黄博士为第二作者，夏教授为通讯记者。

图1无膜细胞器驱动的细胞代谢调节

无膜细胞器是近年来在真核生物中发现的一类亚细胞隔室结构，主要由细胞内蛋白质或核酸等大分子液液分离聚集而成。与传统的有膜细胞器相比，无膜细胞器具有更好的物质交换和响应生理刺激的动力学特性，在细胞的生理和病理过程中起着重要的作用。原核生物中是否存在这样的细胞器，它们有什么功能，也引起了越来越多生物学家的关注和探索。

对天然无膜细胞器结构和功能的研究，启发了科学家有目的地改造甚至从零开始设计无膜细胞器，赋予工程细胞更好或前所未有的新功能。夏研究组前期利用类蜘蛛丝蛋白和类节肢动物弹性蛋白等人工结构蛋白的液液分离特性，在原核大肠杆菌中率先构建了人工无膜细胞隔室，进而建立了荧光蛋白和酶等功能蛋白向隔室融合共定位的功能平台，初步论证了原核细胞生化反应时空调控的可行性和优越性(Nature Chemical Biology，2020，16:1143-1148)

基于上述成果，课题组结合国内外同行的相关研究，在综述论文中系统地提出了人工无膜细胞器驱动的细胞代谢调控的研究思路。通过模块化设计和组装，构建了具有特定生物功能的人工无膜细胞器系统。本文首先阐述了液-液分离形成天然蛋白质无膜细胞器的分子基础。根据蛋白质聚集体的形成、功能和响应，对蛋白质组分进行模块化分析，然后指导人工设计、组装和适应，制造出能够响应生理刺激而形成或消化的人工无膜细胞器，从而在细胞内特定时间、特定区域实现预设的生物学功能，克服以往蛋白质因高度分散而难以在有限区域发挥作用的不足。最后，作者讨论了人工无膜细胞器在细胞重编程过程中面临的机遇和挑战，并提出了可能的应对策略。

该研究得到了国家重点科研项目的资助。d计划(2020YFA0907702)和科技部国家计划(32071414)。

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