研究简介
2024年，江南大学生物工程学院刘龙组在《Nature Communications》杂志上发表了题为“De novo engineering of programmable and multi-functional biomolecular condensates for controlled biosynthesis”的论文。本研究探讨了利用液-液相分离（LLPS）技术在原核生物中设计可编程和多功能的生物分子凝聚体，以实现对代谢通量和蛋白质翻译的精确控制。
本研究提出了一种合成凝聚体平台，通过引入人工无序蛋白质，来实现对细胞内代谢过程的精确调控。具体而言，研究者们开发了一种“堆叠块”策略，设计了一系列促进LLPS的蛋白质，以便在细菌（如枯草芽孢杆菌）中编程合成凝聚体。通过对生物分子的靶向招募，研究表明，这些细胞凝聚体能够有效地隔离生物合成途径，从而显著提高目标产物的合成效率。
图文赏析
合成凝聚体的设计与构建：研究者们首先开发了一种“堆叠块”策略，利用最小重复肽FW1构建了一系列合成无序蛋白（SIDPs），这些蛋白通过调节氨基酸的组成和排列来促进凝聚体的形成。通过分子动力学模拟，FW1表现出较高的聚集能力，进一步的实验表明，SIDP1和SIDP1-GFP在体外形成了微米级的球形液滴，显示出典型的液态特性。
细胞内凝聚体的形成与功能化：在枯草芽孢杆菌中，研究者们成功地表达了SIDP1-GFP融合蛋白，观察到其在细胞内形成的凝聚体主要集中在细胞中部或极区域。这些凝聚体的液态特性得到了进一步验证，研究者们通过尿素处理实验表明，凝聚体在低浓度尿素中可被溶解，支持了其动态特性。
代谢通量的调控：研究者们利用合成凝聚体的特性，构建了一个代谢控制系统，通过将多个生物合成酶定位于同一凝聚体中，实现了2'-富含乳糖（2'-FL）合成的显著提高。具体来说，研究表明，经过凝聚体的共定位，2'-FL的合成量提高了88.3%。此外，研究还发现，凝聚体能够增强特定酶的翻译特异性，从而进一步提高目标产物的合成效率。
正交翻译系统的构建：研究者们还探索了合成凝聚体在正交翻译中的应用，构建了一种空间分离的翻译系统。通过在合成凝聚体中富集特定的翻译组分，研究者们实现了对非标准氨基酸的特异性翻译，显著提高了目标蛋白的翻译效率。
本研究的结果表明，合成凝聚体不仅能够有效地隔离和调控细胞内的代谢通量，还能够作为正交翻译的载体。这一发现为合成生物学提供了新的工具，能够在原核生物中实现更复杂的生物反应调控。
合成凝聚体的优势：相较于传统的膜结合细胞器，合成凝聚体具有更高的灵活性和动态性，能够自由交换生物分子。这种特性使得研究者能够在细胞内构建功能化的“微型工厂”，以实现高效的代谢合成。
未来的应用前景：研究者们认为，合成凝聚体的设计和应用可以扩展到其他微生物系统，甚至是真核生物中。通过进一步优化凝聚体的物理特性和功能，未来有望在药物合成、功能性营养素生产等领域取得更大的突破。
技术挑战与展望：尽管本研究取得了一定的成果，但在合成凝聚体的规模化应用和工业化生产方面仍面临挑战。未来的研究可以集中在如何提高凝聚体的稳定性、降低生产成本以及优化其在复杂生物环境中的表现等方面。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-52411-5
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