活哺乳动物细胞中的设计者细胞器可以构建合成蛋白质

由生物物理化学家Edward Lemke教授领导的一个研究小组在一个新的复杂的生物翻译过程中，在一个活的哺乳动物细胞中设计了一个设计师细胞器。所形成的无膜细胞器可以从携带新功能的天然和合成氨基酸构建蛋白质。例如，科学家可能会通过细胞器将荧光构建块整合到蛋白质中，从而可以使用成像方法在细胞内进行一瞥。现在发表在Science上的研究工作是由Johannes Gutenberg University Mainz(JGU)，分子生物学研究所(IMB)和欧洲分子生物学实验室(EMBL)合作完成的。

细胞器是细胞中的隔室，像细胞核或线粒体一样，具有特定的功能。Lemke集团现在已经创建了一个新的隔间，可以合成特殊的蛋白质。“形象地说，我们在细胞中寻找一个角落，在那里我们建造我们的房子，然后引入细胞中存在的一些核糖体，”Edward Lemke教授解释说。蛋白质的生物合成发生在核糖体上。使用遗传密码，信使RNA(mRNA)被翻译成新形成蛋白质的氨基酸序列。

翻译是一个非常复杂的过程，不能轻易地包含在被膜包围的细胞器中。因此，Lemke的团队从相分离(即负责在体内形成无膜细胞器的过程，如核仁或应力颗粒)中创造了设计细胞器的灵感。细胞使用相分离来局部浓缩特定蛋白质和RNA，以及构建新的无膜隔室。“我们的无膜细胞器实际上是一个开放的反应中心，”Lemke说。

这允许蛋白质生物合成发生在明确定义的位置，这对于使用合成氨基酸是重要的。研究人员已经能够在合成的非天然氨基酸的帮助下创造出一种新的蛋白质。然而，在整个细胞中非特异性地掺入蛋白质会导致高细胞应激，并且细胞可能受到严重影响。新的正交翻译方法避免了这个问题。

大量天然和合成氨基酸，用于设计细胞器上的蛋白质合成

“我们的细胞器可以通过使用合成的非经典氨基酸来制造蛋白质。目前，我们知道超过300种不同的非经典氨基酸 - 与20种天然氨基酸相比。这意味着我们不再局限于后者，” Gemma Estrada Girona说，他与Christopher Reinkemeier一起是科学的第一作者纸。人类蛋白质由20种天然存在的，所谓的经典氨基酸组成。此外，还有许多非常规氨基酸，这些氨基酸在常规人类蛋白质中没有发现。然而，遗传密码的扩展允许掺入这些非规范氨基酸，并且新的设计者细胞器能够选择性地扩展遗传密码。这在细胞器内的转化不同于细胞的其他部分。“我们将自然作为我们的模型，特别是无膜核仁，它参与细胞核中RNA的合成，”Lemke解释道。“我们很惊讶我们只需几步就可以构建如此复杂的结构和功能。”

设计师细胞器结合了生物学和化学领域，实现了全新的功能。一个应用领域是上述成像中的荧光方法，另一个领域可以是用于治疗目的的抗体的产生。首先，Lemke和他的团队旨在设计最小的设计师细胞器，以最大限度地减少对健康生物体的生理学影响。新概念可以作为设计其他细胞器和构建半合成细胞和生物体的平台。“我们的工具也可用于工程翻译和其他细胞过程，如转录和翻译后修饰。这甚至可以让我们设计出新型的细胞器，扩展自然复杂生命系统的功能库，”Christopher Reinkemeier说。 。

Edward Lemke是欧洲分子生物学实验室的访问组组长，美因茨Johannes Gutenberg大学的合成生物物理学教授，以及分子生物学研究所的兼职主任。他还协调由德国研究基金会资助的新的优先计划“功能阶段分离的分子机制”(SPP 2191)。