細(xì)菌合成蛋白質(zhì)的質(zhì)控系統(tǒng)研制成功

《自然—化學(xué)生物學(xué)》日前報道，韓國首爾國立大學(xué)工程學(xué)院研究團(tuán)隊開發(fā)了一個合成蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)（ProQC），可以增強(qiáng)細(xì)菌的蛋白質(zhì)全長翻譯能力。

重組蛋白質(zhì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。蛋白質(zhì)需要保持全長和適當(dāng)?shù)娜S結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮功能。但是，由于細(xì)菌中的轉(zhuǎn)錄和翻譯步驟同時發(fā)生在同一個地方，截短的基因可以作為核糖體翻譯的模板，從而產(chǎn)生不完整的多肽。因此，微生物細(xì)胞工廠生產(chǎn)重組蛋白質(zhì)需要多個蛋白質(zhì)純化步驟。

該研究團(tuán)隊開發(fā)的ProQC是一種合成的基因表達(dá)盒，限制核糖體只使用完整的mRNA作為模板。真核表達(dá)系統(tǒng)翻譯在轉(zhuǎn)錄過程完成后開始，該系統(tǒng)模擬這一過程，當(dāng)位于mRNA 3’端的順式觸發(fā)元件與5’端的Toehold開關(guān)雜交，才能暴露核糖體結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行翻譯，序列特異性mRNA環(huán)化，確保核糖體有效地重新啟動。

研究者將ProQC應(yīng)用于各種蛋白質(zhì)表達(dá)，全長蛋白質(zhì)合成增加至2.5倍，而不改變轉(zhuǎn)錄或翻譯效率。此外，將ProQC系統(tǒng)應(yīng)用于3—羥基丙酸，通過確保酶在生物合成途徑中的全長表達(dá)來生產(chǎn)紫膠素和番茄紅素，使生化產(chǎn)量提高1.6~2.3倍。

該基因表達(dá)系統(tǒng)可使細(xì)菌選擇性地翻譯完整的mRNA，自行合成高質(zhì)量的蛋白質(zhì)。該系統(tǒng)與現(xiàn)有重組蛋白生產(chǎn)策略結(jié)合，可以極大提高微生物重組蛋白和生化生產(chǎn)的效率，在生物制藥、工業(yè)酶和生物基化學(xué)品領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。（吳曉燕）

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41589-021-00736-3

科學(xué)家提出大腸桿菌菌落控制新模式

計算機(jī)科學(xué)先驅(qū)艾倫·圖靈1952年首次提出自然界中出現(xiàn)復(fù)雜、不規(guī)則圖案的機(jī)制，圖靈模式已經(jīng)在物理和化學(xué)中被驗(yàn)證，越來越多的證據(jù)表明它也存在于生物系統(tǒng)中。

日前《合成生物學(xué)》報道，西班牙進(jìn)化生物學(xué)研究所的研究者在實(shí)驗(yàn)室中對大腸桿菌進(jìn)行微調(diào)，使菌落呈現(xiàn)出圖靈模式。該研究提供了一種新的概念框架，在微生物群落乃至其他生物群落中創(chuàng)建類似圖靈模式。

研究者通過設(shè)計不同的合成基因電路使大腸桿菌遵循不同的指令，從而實(shí)現(xiàn)局部激活遠(yuǎn)程抑制。改造后的大腸桿菌系統(tǒng)由三部分組成：一組正常分裂和擴(kuò)散的規(guī)則大小的細(xì)胞；一組不能分裂或擴(kuò)散的細(xì)長細(xì)胞；一種被稱為內(nèi)酯的分子，有助于調(diào)節(jié)大腸桿菌中的基因表達(dá)，使它們能夠通過群體感應(yīng)進(jìn)行交流。

觀察這個特殊群體的生長和進(jìn)化情況，研究者發(fā)現(xiàn)，菌落形狀由最初的圓形不斷向外擴(kuò)展，在邊緣周圍規(guī)則地長出間隔的“分支”， 就像花瓣盛開的花，這與圖靈的理論相符。從本質(zhì)上來說，研究通過改變細(xì)胞分裂、細(xì)胞之間的黏附力和遠(yuǎn)距離通信能力（群體感應(yīng)），控制群體決策。（吳曉燕 孫裕彤）

相關(guān)論文信息：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssynbio.0c00318

哺乳動物細(xì)胞基因線路完成設(shè)計

在哺乳動物細(xì)胞中進(jìn)行可預(yù)測的基因線路設(shè)計是一個較大的挑戰(zhàn)。

日前，《科學(xué)進(jìn)展》報道，美國西北大學(xué)Josh Leonard團(tuán)隊通過利用高性能的轉(zhuǎn)錄和翻譯后調(diào)控元件和計算模型，開發(fā)了一種在哺乳動物細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)可預(yù)測基因線路設(shè)計的方法。

研究小組使用實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的遺傳部件“工具包”，利用計算模型來識別有用的基因設(shè)計，然后在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行構(gòu)建，設(shè)計并測試了幾十個遺傳電路。結(jié)果顯示，每個基因程序按預(yù)期工作，多種基因程序的組合能夠在人類細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)所需的有用功能。研究者成功地在哺乳動物細(xì)胞中構(gòu)建整合轉(zhuǎn)錄和翻譯后控制的多功能蛋白質(zhì)，描述這些機(jī)制的經(jīng)過驗(yàn)證的模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬處理，有效地將遺傳電路與傳感器連接在一起進(jìn)行多輸入評估。

（吳曉燕 孫裕彤）

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1126/sciadv.abe9375