團隊使用合成生物學來闡明細胞功能的復雜性
亞利桑那州立大學的Giovanna Ghirlanda和Matthias Heyden，分子科學學院的教授和物理系教授Sara Vaiana正在通過一個新鏡頭觀察我們的細胞，使他們能夠獲得對幾種細胞活動機制的新見解。除了膜包裹的細胞器 - 細胞核，線粒體和高爾基體之外，僅舉幾個真核細胞就有許多缺乏腸衣的隔室。這些基于蛋白質的液體球，稱為無膜細胞器，執(zhí)行各種細胞功能，這些功能在細胞質中效率較低或根本不可能。研究人員現(xiàn)在正在研究無膜細胞器可能在與疾病相關的蛋白質聚集中發(fā)揮作用，例如阿爾茨海默氏癥。
Ghirlanda，Heyden和Vaiana正在探索支撐這些細胞器形成的生物物理學，并利用這些信息來設計人造細胞器。他們的研究探索了一種實現(xiàn)區(qū)域化的創(chuàng)新方法，在合成生物學和催化方面具有可預見的應用。
在過去的十年中，研究人員已經(jīng)了解到一種眾所周知的現(xiàn)象，稱為液 - 液相分離(LLPS)，它控制著這些大型無膜結構中幾種的形成和功能。細胞內(nèi)部的新興圖景是，細胞質和核質是復雜的液體，可以穩(wěn)定地分離，類似于油和醋。借用物理化學和軟物質物理等領域的知識 - 解釋液 - 液相分離的理論已經(jīng)為從加工食品中的穩(wěn)定劑到化妝品，從治療藥膏到油漆 - 生物學家的產(chǎn)品的開發(fā)有所了解，現(xiàn)在正在開發(fā)一種新的理解到目前為止，已有近二十二種無膜結構。
這些結構的重要性日益明顯。這些無膜結構通過生物聚合物(例如蛋白質和RNA)的液 - 液相分離形成，通常響應于刺激。
該團隊正在研究是否可以開發(fā)LLPS來生成能夠執(zhí)行復雜催化功能的設計的無膜細胞器。這些新結構的應用范圍從提高工業(yè)應用的體外酶級聯(lián)效率，到在人造細胞中提供技術簡單，有吸引力的蛋白質膠囊和脂質體替代品。
“如果成功，我們的方法將通過簡單地將設計的標簽融合到所選擇的酶上，直接獲得無膜細胞器，”Ghirlanda解釋道。“此外，我們的計算方法將提供一種方法來定制酶的標簽序列。”Ghirlanda實驗室的同期工作重點是人工金屬蛋白的設計。從長遠來看，它們的目標是產(chǎn)生含有人工金屬酶的細胞器，這些細胞能夠催化氫的產(chǎn)生以及二氧化碳的還原。Heyden實驗室的工作重點是建立擁擠環(huán)境的計算機模擬方法，例如在無膜細胞器中發(fā)現(xiàn)的方法：該團隊目前的研究證明了這些方法的一個很好的試驗場。
Vaiana實驗室致力于相分離，因為它涉及神經(jīng)退行性疾病。在這種情況下，他們正在建立生物物理方法，以在體外和體內(nèi)表征LLPS。他們正在將他們的方法應用于LLPS以幫助表征無膜細胞器，并確定支持每個序列的相變的關鍵相互作用。
了解機制并量化導致淀粉樣蛋白聚集和疾病的驅動力可能導致迫切需要治愈阿爾茨海默病。
三人(三位教授)最近獲得了國家科學基金會EAGER資助，以繼續(xù)他們的研究。NSF的EAGER專門用于潛在的變革性研究，探索新的主題，不同的方法或跨學科的方法，正是人們對創(chuàng)新研究的期望。
總之，將內(nèi)部細胞環(huán)境視為含有多個液滴作為無膜細胞器的液體，標志著細胞生物學理解的轉折點。這個概念很年輕，液 - 液相分離組織細胞間隙的方式和原因仍然存在問題。但是，很明顯，這種現(xiàn)象支撐著越來越多長期觀察到的無膜細胞器的形成和功能。通過這項研究，該團隊旨在利用這一現(xiàn)象應用于催化和合成生物學。
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