科学家设计人工无序蛋白，可用于研究生物凝聚体对细胞功能的影响
来源：DeepTech深科技
近日，美国杜克大学代怡帆博士等人建立了运用生物分子聚集体（biomolecularcondensates）来控制多种细胞功能的系统方法学。
聚集体工作可以形成新的一种相，其中一种可能的形成机理是高分子驱动的相变导致的相分离。相比人们对于分子功能的传统理解，相分离是一种细胞内状态的变化，而只有对应分子的相互作用，并不足以激发细胞功能。
研究中，他们设计了多种人工无序蛋白，借此在细菌和人体细胞里合成了生物分子聚集体。接着，他们试着改变聚集体的材料性质，结果发现聚集体的动态性和内部结构，对细胞功能起着决定性作用。
基于这个原理，他们用自己合成的生物聚集体控制了多种细胞功能，包括转录、细胞分裂中的质粒的分离、以及蛋白电路等。
代怡帆是第一作者，美国杜克大学的阿舒托什·奇尔科蒂（AshutoshChilkoti）教授和游凌冲教授担任共同通讯作者[1]。
代怡帆说：“刚开始定下课题的时候，得到了我在Duke的两个导师的帮助。我的一个导师是游凌冲教授，主要研究方向是系统和合成生物学；另一个导师是 AshutoshChilkoti 教授，主要研究方向是高分子材料和人工的无序蛋白。”
“这个方向的研究在那时候还是空白的。游教授和 Chilkoti 教授都非常注重原创性，在具体思考方向的过程中，我们都很注重这样的方向到底有没有理论价值和应用价值，而不是为了创新而创新。”代怡帆表示。
所以，对于目标细胞功能来说，它的主要目的就是只能被聚集体这种模式来控制。
代怡帆继续说道：“基于这个理念，我们开始研究如何改变聚集体的材料性质。在这个方向上，我们和WashingtonUniversityinSt.Louis的生物物理学家 RohitV.Pappu 展开合作，他组里的曾祥泽博士（现为HongKongBaptistUniversity物理系助理教授）对我们的蛋白设计起到了非常大的帮助。”
那么，生物分子凝聚体以及相分离具体是什么？简单来说，凝聚体的形成是一种新的工作模式，目的是通过分子聚集来生成细胞功能。
虽然很多已知的无膜细胞器都是一种生物分子凝聚体，但具体是否由相分离驱动而形成的，还需要更多的实验验证。
理论上，相分离是一个溶液密度转变的过程，最终形成两个同时存在的液相：一个是高浓度的，一个是低浓度的。通常，可以通过flory-hugginstheory来理解单一分子作用对于相图发展的影响。
而对于细胞内部而言，分子凝聚体通常由很多个分子构成。目前，人们已经明确了那些可以直接发生相变的分子。但是，分子之间的相互作用和其他的分子到底如何影响了相分离？这依旧是一个未知数。
“而研究多个分子和分子之间的热力学自由能对于相分离的影响，会让我们更接近对真实生物体系的理解。”代怡帆继续表示。
从实验方法的角度来讲，如何在non-equilibrium的情况下，获取这些热力学参数也是一个很重要的方向。
那么，到底该如何以高精度和特异性的方式来操纵细胞过程？与传统方法相比，有哪些优势？
据了解，分子相互作用的生物物理参数决定着精度的高低，故其存在有一定的设计空间，而特异性则很难被具体定义。
代怡帆说：“我们的设计思路更多是设计合成的IDP，使其达到较低的相分离饱和浓度，从而避免和细胞内其他可以相分离的分子相互作用。”
凝聚体主要通过两种模式来作用于细胞功能，一种是通过聚集体的物理材料性质来隔离内部物质和外部物质。“基于此我们控制了质粒在细胞分裂过程中的分离过程，也保护了可以被降解的蛋白质。”他说。
另一种方法是通过相分离的热力学性质，得到一个更高浓度的相，这时就能通过聚集功能分子来加速基因的转录。
另据悉，生物分子凝聚体通过相分离的方式，参与着大量的人体生理学活动。而本次设计的人工无序蛋白可以作为一款简化的分子模型，来研究与疾病相关的生物凝聚体对于细胞功能的影响。
其次，基于多相的理论，本次技术可以应用在调控相分离的相边界，从而改变与疾病相关的凝聚体的相分离程度，进而用于疾病的治疗。
代怡帆表示：“论文发表之后，我们收到了全球多个实验室对于质粒的请求，看到这些合成蛋白应用在各种有意思的课题上，我也非常的开心。基于这个研究，我们得到了多种合成生物凝聚体，而在后来我也和合作者们，从物理化学角度出发对凝聚体功能展开了研究。”
另据悉，代怡帆即将加入圣路易斯华盛顿大学建立自己的实验室，目前正在招募课题组成员，联系邮箱yifan.dai1@duke.edu
参考资料：
1.Dai,Y.,Farag,M.,Lee,D.etal. Programmablesyntheticbiomolecularcondensatesforcellularcontrol. NatChemBiol 19,518–528(2023).https://doi.org/10.1038/s41589-022-01252-8
