科学家构建环境响应型自组装蛋白质球支架，为构建智能化细胞工厂奠定基础

自组装蛋白质球支架可以以纳米精度精确控制酶分子距离、化学计量比、空间分布等酶催化关键参数，从根本上解决细胞工厂内酶分子空间排布紊乱的科学难题，提升细胞工厂的生物催化效率，为绿色生物制造提供优质分子工具、人工细胞器和优良菌株。

细胞直径通常在数微米大小，只有头发丝直径的几十分之一大小。在如此狭小的空间内，同时有成千上万的化学反应在发生。

更令人惊叹的是，如此众多的反应不仅能有条不紊地进行，并且能针对内外环境的改变做出及时调整。

细胞之所以能完成上述看似不可能完成的任务，在于经过进化打磨之后的细胞拥有多酶代谢区室。

多酶代谢区室，指的是催化顺序反应的酶分子通过相互作用形成的多酶复合物。

多酶复合物的形成，能够加速中间代谢产物在酶分子间的传递、抑制竞争反应、防止有毒代谢产物的积累。

并且，天然多酶复合物还能通过自身的组装状态，来调控代谢反应。例如，高粱的抗虫害机制就与多酶复合物密切相关。

蜀黍苷，则是一种抗昆虫的氰类化合物，蜀黍苷的生物合成由若干个 P450 酶完成。

当这些 P450 酶分子组装成为多酶复合物时会合成蜀黍苷。然而，当多酶复合物解离成为游离的酶分子时，这一系列酶分子则会合成抗真菌的醛肟类化合物。

也就是说，多酶复合物——是细胞在空间层面调控酶促反应、进而让生物化学反应变得井然有序的重要手段。

生物制造，是以工业生物技术为核心，利用酶、微生物细胞、结合化学工程技术进行目标产品的加工过程，包括生物基材料、化学品和生物能源等。

生物制造的核心是“菌株细胞”。然而，由于缺乏进化的打磨，导致生物制造缺乏天然细胞那样的动态多酶复合物。

对于人工构建的代谢通路中的酶分子来说，其在细胞内呈现出无序排布的状态，这会造成中间代谢产物流失、以及催化效率低下。

针对上述问题，大连理工大学薛闯教授和团队，此前曾构建出一种自组装蛋白质支架。

在这种蛋白支架的帮助之下，能够以纳米级别的精度，针对酶分子进行空间组织，进而形成多酶复合物，借此提高人工改造菌株的催化性能。

他们发现这些组装的多酶系统的比生产率，比未组装的系统高出八倍。

然而，利用这种蛋白支架构建的多酶复合物，由于是静态的多酶复合物，因此缺乏类似于天然多酶复合物那种响应内外界环境的能力。

（来源：JACS）

所以，课题组十分期待能够通过仿生手段，来构建动态的多酶复合物，从而让人工改造细胞拥有像天然细胞一样的鲁棒性和环境适应性。

在最近一项研究中，该团队结合光遗传学工具和化学遗传学工具，构建了可以响应外界环境的自组装蛋白质球支架。

（来源：JACS）

通过光信号或化学小分子信号，可以调控这种支架对于酶分子的招募或释放。

在这种环境响应型分子支架的帮助之下，他们构建了动态人工多酶复合物。

通过多酶复合物的解离或组装，能够实现对于分支点代谢流的调控、以及对于底物跨膜利用速率的调控。

这种利用遗传学工具、以及利用自组装蛋白质笼形成的分子支架，一方面能以可控的方式招募酶等客体分子。

另一方面，由于这种分子支架采取自组装结构，故能为客体分子提供充足的结合位点，更有利于设计复杂的多酶复合物。

据介绍，自组装蛋白质笼主要被用于疫苗设计,而本次研究极大了拓展自组装蛋白质结构的应用领域。

动态多酶复合物的构建，不仅可以提高反应速率和引导代谢流，而且能在翻译之后的水平上实现对于细胞工厂的精确调控。

另据悉，纳米生物材料和生物催化的结合，除了极有希望提高催化活性和酶稳定性之外，也能最大限度地利用空间组织多酶系统，从而精确地调控菌株细胞。

对于生物制造来说，它通常利用启动子优化、酶分子筛选、定向进化等手段，来提高菌株细胞的催化性能。

因此，本次设计的环境响应型分子支架，能够极大地丰富调控菌株细胞代谢和生理生化指标的手段，为构建智能化的细胞工厂奠定了基础。

然而，完成这样一项研究并非易事。

该团队最初所设计的分子支架，根本无法在细胞内响应光信号，也就是说课题组无法利用光信号，来调控多酶复合物的组装或解离。

这让本次课题一度曾经陷入停滞。后来，他们推测可能是由于光相应蛋白自身解离常数的局限性，或者是由于蛋白质球对于光响应原件的位阻效应。

随后，他们在阅读大量文献之后，选择了多种光响应蛋白进行尝试，并针对光响应蛋白与自组装蛋白分子的融合策略进行优化。

最终，终于获得了可以响应光信号的自组装蛋白质球支架。

日前，相关论文以《利用刺激响应蛋白笼进行动态代谢》（Dynamic Metabolons Using Stimuli-Responsive Protein Cages）为题发在 JACS[1]。

大连理工大学的康巍副教授和博士生马骁、以及中国科学院深圳先进院的张华威老师是共同一作，薛闯担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：JACS）

总的来说，本次提出的分子支架不仅能够以可控的方式来招募酶分子，并能组装可逆的动态多酶复合物。

事实上，只要是蛋白质分子，本次分子支架都能做到可控的释放和招募。

目前，他们正在利用本次蛋白质分子支架开发药物靶向递送和释放系统。

另外，在基因编辑领域，如何实现动态和实时的基因编辑，也是一大研究热点。

因此，他们也将尝试利用本次分子支架，力争实现基因编辑系统的动态调控。

参考资料：

1.Kang, W., Ma, X., Zhang, H., Ma, J., Liu, C., Li, J., ... & Xue, C. (2024). Dynamic Metabolons Using Stimuli-Responsive Protein Cages.Journal of the American Chemical Society.

运营/排版：何晨龙

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