合成隔室“涡轮增压”细菌，以更快地生产蛋白质

杜克大学的生物医学工程师已经展示了一种新的合成方法，可以加速细菌产生更多的特定蛋白质，甚至是通常会破坏它们的蛋白质，如抗生素

该技术指导细菌产生合成的无序蛋白质，这些蛋白质聚集在一起形成称为生物冷凝物的隔室。当这些隔室捕获携带特定蛋白质指令的mRNA以及执行这些指令所需的机器时，它们可以大大提高蛋白质的生产速度

这项技术可能对使用细菌生产药品、工业化学品和生物燃料等各种产品的行业来说是一个福音

研究结果发表在《自然化学》杂志上

生物冷凝物是自然界中已经丰富的有用工具。所有细胞都使用冷凝物将生物分子机器聚集在一起或分离，以调节其活性。自2009年发现这一现象以来，冷凝物的用途和功能一直是研究的热点

杜克大学Alan L.Kaganov生物医学工程杰出教授Ashutosh Chilkoti实验室的博士生Daniel Shapiro说：“冷凝物可用于细胞临时控制基因表达以应对新的条件或挑战，因为通过在蛋白质生产水平而不是DNA水平快速控制基因表达，它们可以在几分钟内而不是几小时甚至几天内改变蛋白质的生产方式。”

“但天然产生的冷凝物极其复杂，难以设计。我们的实验室是为数不多的指导细胞之一，可以根据我们的目的专门定制合成版本。”

Chilkoti实验室专门研究弹性蛋白样多肽，简称ELP。这些长而无序的蛋白质就像一团面条，可以根据温度或酸度等各种变量进行调整，使其聚集或溶解

2023年，该实验室首次证明细菌可以被编程来制造这些合成的无序蛋白质，并使它们形成影响生物机械的冷凝物

Chilkoti说：“这项工作表明，作为生物医学工程师，我们可以从头开始设计新的分子部件，说服细胞制造它们，并在细胞内组装这些部件以制造新机器。”。“这是一个新兴领域的开端，现在它允许我们以新的、令人兴奋的方式重新编程生命。”

这项研究以及其他结果表明，合成的生物冷凝物可以将生物分子机器捕获在一起，以加快它们的工作。但它并没有寻求专门指导细胞加速哪些过程或生产哪些蛋白质

这项新工作正是在这个基础上完成的。研究人员指示细菌细胞产生ELP，形成缩合物，并与特定的RNA序列结合，这些序列复制并携带从DNA到细胞其他部分构建蛋白质的蓝图。通过将这些RNA序列聚集在一起形成密集的冷凝物，研究人员认为，这使它们更容易被细胞的蛋白质制造机器发现和使用

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Shapiro说：“与其将RNA隐藏在细胞机制之外，它似乎是将所有RNA以更高的浓度聚集在一种反应坩埚中，以提高蛋白质的生产速度。”。“你可以让细胞表达更多的RNA并制造更多的蛋白质，但一旦RNA被制造出来，就很少有方法可以提高蛋白质从它翻译的速度。这就是我们在这里所做的，这非常令人兴奋。”

展望未来，研究人员正在继续构建他们的平台。例如，实验表明，如果这些冷凝物被设计得更粘稠，它们会产生更少的蛋白质。这样的效果使团队能够控制生产速度。夏皮罗也在研究被靶向的mRNA的结构如何影响其产生速率

这项研究可能对至少两大类行业有用。许多生物疗法，如抗体、疫苗和免疫蛋白，都是在哺乳动物细胞中制造的，因为它们需要细菌中不存在的化学机制。通过使用这些合成冷凝物，夏皮罗看到了一条将难题的必要部分困在一起的途径，以帮助细菌有效地创造这些疗法

另一种可能性是使用冷凝物来隔离正在产生的蛋白质，这样它们就不会伤害宿主细菌，这是有效生产抗生素和其他抗菌蛋白的常见障碍 More information: Daniel Mark Shapiro et al, Synthetic biomolecular condensates enhance translation from a target mRNA in living cells, Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-024-01706-7

Journal information: Nature Chemistry