活哺乳動物細胞中的設(shè)計者細胞器可以構(gòu)建合成蛋白質(zhì)

由生物物理化學家Edward Lemke教授領(lǐng)導的一個研究小組在一個新的復雜的生物翻譯過程中，在一個活的哺乳動物細胞中設(shè)計了一個設(shè)計師細胞器。所形成的無膜細胞器可以從攜帶新功能的天然和合成氨基酸構(gòu)建蛋白質(zhì)。例如，科學家可能會通過細胞器將熒光構(gòu)建塊整合到蛋白質(zhì)中，從而可以使用成像方法在細胞內(nèi)進行一瞥?，F(xiàn)在發(fā)表在Science上的研究工作是由Johannes Gutenberg University Mainz(JGU)，分子生物學研究所(IMB)和歐洲分子生物學實驗室(EMBL)合作完成的。

細胞器是細胞中的隔室，像細胞核或線粒體一樣，具有特定的功能。Lemke集團現(xiàn)在已經(jīng)創(chuàng)建了一個新的隔間，可以合成特殊的蛋白質(zhì)。“形象地說，我們在細胞中尋找一個角落，在那里我們建造我們的房子，然后引入細胞中存在的一些核糖體，”Edward Lemke教授解釋說。蛋白質(zhì)的生物合成發(fā)生在核糖體上。使用遺傳密碼，信使RNA(mRNA)被翻譯成新形成蛋白質(zhì)的氨基酸序列。

翻譯是一個非常復雜的過程，不能輕易地包含在被膜包圍的細胞器中。因此，Lemke的團隊從相分離(即負責在體內(nèi)形成無膜細胞器的過程，如核仁或應力顆粒)中創(chuàng)造了設(shè)計細胞器的靈感。細胞使用相分離來局部濃縮特定蛋白質(zhì)和RNA，以及構(gòu)建新的無膜隔室。“我們的無膜細胞器實際上是一個開放的反應中心，”Lemke說。

這允許蛋白質(zhì)生物合成發(fā)生在明確定義的位置，這對于使用合成氨基酸是重要的。研究人員已經(jīng)能夠在合成的非天然氨基酸的幫助下創(chuàng)造出一種新的蛋白質(zhì)。然而，在整個細胞中非特異性地摻入蛋白質(zhì)會導致高細胞應激，并且細胞可能受到嚴重影響。新的正交翻譯方法避免了這個問題。

大量天然和合成氨基酸，用于設(shè)計細胞器上的蛋白質(zhì)合成

“我們的細胞器可以通過使用合成的非經(jīng)典氨基酸來制造蛋白質(zhì)。目前，我們知道超過300種不同的非經(jīng)典氨基酸 - 與20種天然氨基酸相比。這意味著我們不再局限于后者，” Gemma Estrada Girona說，他與Christopher Reinkemeier一起是科學的第一作者紙。人類蛋白質(zhì)由20種天然存在的，所謂的經(jīng)典氨基酸組成。此外，還有許多非常規(guī)氨基酸，這些氨基酸在常規(guī)人類蛋白質(zhì)中沒有發(fā)現(xiàn)。然而，遺傳密碼的擴展允許摻入這些非規(guī)范氨基酸，并且新的設(shè)計者細胞器能夠選擇性地擴展遺傳密碼。這在細胞器內(nèi)的轉(zhuǎn)化不同于細胞的其他部分。“我們將自然作為我們的模型，特別是無膜核仁，它參與細胞核中RNA的合成，”Lemke解釋道。“我們很驚訝我們只需幾步就可以構(gòu)建如此復雜的結(jié)構(gòu)和功能。”

設(shè)計師細胞器結(jié)合了生物學和化學領(lǐng)域，實現(xiàn)了全新的功能。一個應用領(lǐng)域是上述成像中的熒光方法，另一個領(lǐng)域可以是用于治療目的的抗體的產(chǎn)生。首先，Lemke和他的團隊旨在設(shè)計最小的設(shè)計師細胞器，以最大限度地減少對健康生物體的生理學影響。新概念可以作為設(shè)計其他細胞器和構(gòu)建半合成細胞和生物體的平臺。“我們的工具也可用于工程翻譯和其他細胞過程，如轉(zhuǎn)錄和翻譯后修飾。這甚至可以讓我們設(shè)計出新型的細胞器，擴展自然復雜生命系統(tǒng)的功能庫，”Christopher Reinkemeier說。。

Edward Lemke是歐洲分子生物學實驗室的訪問組組長，美因茨Johannes Gutenberg大學的合成生物物理學教授，以及分子生物學研究所的兼職主任。他還協(xié)調(diào)由德國研究基金會資助的新的優(yōu)先計劃“功能階段分離的分子機制”(SPP 2191)。

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