揭示編程不同無膜隔室之間的生物通信方式

這些區(qū)室復(fù)合體源自無細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)中兩種正交相分離的蛋白質(zhì)。它們的形成可以按照特定的時(shí)間和順序進(jìn)行精編程,從而實(shí)現(xiàn)按需的分子輸送。值得一提的是,這種聚生體能夠?qū)Φ鞍酌感畔⒒蚓幋a該蛋白酶的 DNA 信息做出響應(yīng),完成對(duì)功能性蛋白質(zhì)貨物的感知、加工與遞送。并且,基于 DNA 的分子程序還能通過安裝一個(gè)在信使 RNA 水平上控制信息流的反饋環(huán),得到進(jìn)一步的開發(fā)利用。這些研究結(jié)果不僅加深了我們對(duì)無膜細(xì)胞器之間串?dāng)_機(jī)制的理解,更為構(gòu)建功能性區(qū)室聯(lián)合體提供了關(guān)鍵的設(shè)計(jì)原則。

 細(xì)胞為了精確調(diào)控自身的生物功能,會(huì)將細(xì)胞成分組織成物理上相互分離的隔室。這種空間上的分隔,凸顯了細(xì)胞不同功能區(qū)域之間進(jìn)行有效交流的重要性。除了那些被膜包裹的經(jīng)典功能區(qū)室,通過液 - 液相分離(LLPS)形成的無膜細(xì)胞器(MLOs),憑借其高度動(dòng)態(tài)的特性,在代謝過程和信號(hào)通路等眾多生物過程中發(fā)揮著廣泛作用。有研究表明,在細(xì)胞命運(yùn)決定的過程中,無膜細(xì)胞器之間通過共享蛋白質(zhì)組分進(jìn)行的串?dāng)_是至關(guān)重要的。然而,目前我們對(duì)于無膜細(xì)胞器間串?dāng)_重要性的認(rèn)識(shí)還十分有限。到現(xiàn)在,在細(xì)胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)無膜細(xì)胞器群體的概括或重新編程,仍然是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

盡管科研人員在利用合成聚合物、DNA 分子和直鏈淀粉衍生物構(gòu)建多相無膜隔室方面付出了諸多努力,但這些方法存在著固有的局限性,這在一定程度上限制了對(duì)生物交流與合作的深入探索,例如在協(xié)調(diào)復(fù)雜生化反應(yīng)和調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中的 DNA - mRNA - 蛋白質(zhì)信息流方面。因此,迫切需要新的設(shè)計(jì)原則,來豐富我們構(gòu)建能夠在細(xì)胞環(huán)境中共存、合作并執(zhí)行生物學(xué)任務(wù)的群體的工具集。 在本研究中,研究人員成功在基于細(xì)菌大腸桿菌細(xì)胞裂解物的表達(dá)系統(tǒng)中,構(gòu)建出了能夠共存且生物連通的無膜區(qū)室的二元群體。這種隔室復(fù)合體基于兩種內(nèi)在無序的蛋白質(zhì):極點(diǎn)組織蛋白 Z(PopZ)和 resilin 樣蛋白 R32。其中,PopZ 通過在新月柄桿菌(Caulobacter crescentus)的極點(diǎn)形成微區(qū),來調(diào)節(jié)不對(duì)稱細(xì)胞分裂;而 R32 則能夠在重組大腸桿菌細(xì)胞中形成無膜隔室。值得注意的是,它們的自主形成和不混溶特性能夠在細(xì)胞環(huán)境條件下自然實(shí)現(xiàn),無需額外添加任何大分子物質(zhì)。更有趣的是,不同隔間的出現(xiàn)時(shí)間和順序可以按照按需串?dāng)_的要求進(jìn)行編程。此外,研究人員還證實(shí),隔室復(fù)合體能夠響應(yīng)蛋白質(zhì)或 DNA 信息,對(duì)功能蛋白質(zhì)貨物進(jìn)行感應(yīng)、處理和遞送,并且基于 DNA 的分子程序能夠通過安裝可控信息流的反饋環(huán)得到進(jìn)一步的利用。