分子生物學研究所 (IMB) 和美因茨約翰內斯古騰堡大學 (JGU) 的研究人員開發了一種將新功能設計到細胞中的方法。結果于今天發表在《細胞》雜志上的文章“雙膜狀細胞器使正交真核翻譯的空間分離成為可能”。

許多過程發生在活細胞內，從 DNA 復制和修復到蛋白質合成和再循環。為了組織這種過多的反應，它們必須在三維空間中分開。真核細胞的一種方式這是通過擠壓一塊膜形成一個膜封閉空間——一個細胞器——在其中可以發生特定的功能。或者，細胞還可以通過相分離將分子分離到不同的區域(所謂的無膜細胞器)，這種現象類似于沙拉醬中醋和油的分離。這種無膜細胞器具有優勢：由于它們沒有通過膜屏障與細胞的其余部分分開，因此大分子可以更容易地進出。因此，膜封閉的細胞器像細胞中的獨立“房間”一樣運作，而無膜細胞器則像同一房間的不同角落一樣運作。

細胞中最重要的過程之一是蛋白質合成，其中 RNA 代碼被翻譯成蛋白質代碼，其中包含制造蛋白質的藍圖。這些代碼就像細胞的語言。如果可以設計一個細胞器并致力于以新的方式(即使用不同的語言)翻譯 RNA 代碼，則生成的蛋白質的功能也可以改變，賦予它獨特的特性，例如，可以用來轉換它的功能打開或關閉，或允許蛋白質在活細胞中可視化。

2019 年，Edward Lemke 教授和他的研究團隊成功創建了一種人工無膜細胞器，該細胞器使用新代碼或語言翻譯 RNA 代碼，而不會干擾細胞其余部分的 RNA 翻譯。現在，Edward 和他實驗室的學生 Christopher Reinkemeier 通過創造可用于將細胞過程細分為更小的空間的薄膜狀細胞器，進一步鞏固了這一成功。

“最大的好處是我們能夠創造極小的反應空間——這樣我們就可以在一個細胞中同時擁有幾個，”萊姆克教授解釋說。“我們已經將大型 3D 細胞器轉化為膜表面上的 2D 細胞器，甚至可以在這些薄層中進行復雜的生化反應。” 使用這些更薄的細胞器，同一個細胞現在可以將 RNA 代碼翻譯成三種不同的語言——從而產生三種不同的蛋白質——在“同一個房間的不同角落”，而翻譯之間不會相互干擾。這意味著相同的蛋白質現在可以具有三種不同的功能，具體取決于它是在哪個“角落”制造的。

這種新方法不僅使科學家能夠設計出具有獨特功能的蛋白質，而且還幫助他們更好地了解真核細胞功能是如何進化的。Reinkemeier 博士說：“我們可以更多地了解膜空間中的復雜功能是如何發生的，膜具有哪些獨特的功能，以及當您使用 2D 相分離濃縮蛋白質時會在那里產生哪些特殊的反應空間。” “通過設計這些類似薄膜的細胞器，我們還可以更好地了解大自然如何利用這種機制來創造具有新功能的蛋白質。”

Edward Lemke 是 IMB 的兼職主任，也是美因茨約翰內斯古騰堡大學的合成生物物理學教授。