自然细胞进化而来的代谢区室可以根据外界环境信号的变化，进行组装与解离，实现细胞中代谢途径的高速重排，从而满足波动的细胞需求。这些高度动态的代谢体不仅可以加快代谢节点的底物传递，抑制竞争反应，防止有毒中间体的积累，还能提高细胞代谢的灵活性，增强细胞的适应能力。因此，受自然的启发，在细胞中构建人工代谢区室，以实现酶分子的高度组织性，在合成生物学中具有重要意义。但目前多数研究仅止步于构建静态的人工代谢区室，而精确控制代谢区室的组装与解离依然存在挑战。

近日，大连理工大学生物工程学院薛闯教授团队构建了刺激响应型蛋白质笼结构，在细胞内可控地招募参与级联反应的酶分子，提供了一种动态的人工细胞代谢区室的构建方法。通过将化学信号响应结构域与蛋白笼亚基融合，构建了化学分子响应型蛋白质笼，该蛋白质笼能够在化学小分子的作用下，可控地招募含有同源相互作用结构域的目的蛋白。将参与脱氧紫罗兰素合成的酶分子共定位于蛋白质笼表面，成功构建了人工代谢区室，实现了对代谢流的引导，将脱氧紫罗兰素生物合成的特异性提高至2.6倍。

此外，利用光诱导的二聚化结构域取代化学诱导结构域，团队创建了一种光响应蛋白质笼。该蛋白质笼能够响应蓝光的开关，并在数十秒内实现目的蛋白的可逆招募与释放。将光响应蛋白笼固定在细胞膜上，可以形成动态的膜结合代谢体，从而操纵底物的跨膜利用率。该工作展示了一种在工程细胞中构建动态人工细胞代谢体的通用策略，用以实现高效可控的生物催化。

菌株内酶分子的有序空间排布对于高效生物合成至关重要。薛闯教授负责的合成生物学与生物催化研究室致力于化学工程与生物技术的结合，注重生物催化转化的基础科学问题和创新技术开发，本研究是团队以往工作（Angew Chem Int Ed Engl. 2022;61(52):e202214001）的延伸和发展。通过开发酶分子空间组织支架，实现对酶分子空间排布和代谢反应的纳米级精准调控，为高效菌株细胞的构建和“智能生物制造”的实现提供了全新思路。

上述研究成果发表于《美国化学学会》（Journal of the American Chemical Society），文章题目为“基于环境响应型蛋白质笼的动态多酶代谢区室”（Dynamic metabolons using stimuli-responsive protein cages）。大连理工大学生物工程学院/智能生物制造教育部重点实验室为本工作的第一单位和唯一通讯单位。大连理工大学生物工程学院康巍副教授、博士研究生马骁、中国科学院深圳先进院医药所张华威老师为共同第一作者，薛闯教授为通讯作者。香港中文大学马俊才老师、深圳湾实验室王蕊老师、美国肯尼索大学李博老师等对该研究提供了帮助。本研究受到了国家自然科学面上基金、联合重点基金、辽宁省自然科学面上基金、大工基本科研业务费的支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c12876

内容来源：大连理工大学新闻网

排版编辑：王一婷 王增强 常思萌 凌晓瑕

审核校对：农雅兰 刘梁宇