作者肯·金格里，杜克大学 内在无序的蛋白质(荧光绿色)在细胞内聚集在一起形成人工细胞器
学分:杜克大学 杜克大学的生物医学工程师展示了一种控制一类新兴蛋白质相分离的方法，以在人体细胞内创造人工无膜细胞器
这一进展，类似于控制醋如何在油中形成液滴，为工程合成结构调节现有细胞功能或在细胞内创造全新行为创造了机会
该结果于8月3日在线发表在《自然化学》杂志上
蛋白质通过折叠成特定的三维形状与不同的生物分子结构相互作用来发挥功能
研究人员此前认为，蛋白质需要这些固定的形状才能发挥作用
但是在过去的二十年里，发现了一大类新的内在无序的蛋白质，它们有很大的“松软”区域——也就是说，它们没有折叠成确定的三维形状
现在人们知道，这些区域在控制各种细胞功能中起着重要的、以前未被认识到的作用
国内流离失所者在生物医学应用中也很有用，因为他们可以经历相变——例如，从液体变成凝胶，或者从可溶状态变成不可溶状态，然后再变成不可溶状态——以响应环境触发因素，如温度变化
这些特征还决定了它们在细胞环境中的相行为，并通过调节内流离失所者的特征来控制，例如它们的分子量或氨基酸连接在一起的顺序
“虽然有许多自然的国内流离失所者在细胞中表现出相位行为，但他们有许多不同的口味，很难辨别支配这种行为的规则，”艾伦·L·阿什托什·奇尔科蒂说
杜克大学生物医学工程杰出教授
“这篇论文提供了非常简单的工程原理来对细胞内的这种行为进行编程
" “该领域的其他人已经采取了自上而下的方法，他们将改变一个自然的国内流离失所者，并观察其行为如何在细胞内变化，”在奇尔科蒂实验室工作的研究科学家、该研究的第一作者迈克尔·祖里基说
“我们正采取相反的方法，根据简单的热力学原理建造我们自己的人工流离失所者
这使我们和其他人能够精确调整一个单一的属性——国内流离失所者相图的形状——以更好地理解这个参数如何影响生物行为” 在这篇新论文中，研究人员开始从自然界寻找国内流离失所者的例子，这些人聚集在一起，在细胞内形成“生物分子凝聚体”
这些微弱地结合在一起的结构允许细胞产生隔间，而不需要构建膜来封装它
研究人员以常见果蝇中的一种这样的境内流离失所者为基础，利用他们与境内流离失所者合作的广泛历史，设计了一种分子更简单的人工版本，保留了相同的行为
这个更简单的版本使研究人员能够精确地改变国内流离失所者的分子量和氨基酸
研究人员表明，根据这两个变量是如何调整的，国内流离失所者聚集在一起，在试管中以不同的温度形成这些隔间
通过不断尝试各种调整和温度，研究人员对哪些设计参数对控制境内流离失所者的行为最重要有了深入的了解
细胞的切片视图，显示人工细胞器在整个结构中形成
学分:杜克大学 然而，试管与活细胞不同，所以研究人员进一步展示了他们设计的内流离失所者在大肠内的行为
大肠（杆）菌的
正如预测的那样，他们的人造体内流离失所者聚集在一起，在细胞的细胞质中形成一个微小的液滴
因为国内流离失所者的行为现在已经被很好地理解了，研究人员显示，他们可以以试管原则为指导，可预测地控制他们是如何结合的
“我们能够改变细胞内的温度，从而对它们的相位行为进行完整的描述，这反映了我们对试管的预测，”祖里基说
“在这一点上，我们能够设计不同的人工智能数据处理系统，其中形成的液滴具有不同的材料属性
" 换句话说，因为研究人员知道如何控制内部流离失所者的大小和组成以适应温度，他们可以对内部流离失所者进行编程，使其在细胞内形成不同密度的液滴或隔室
为了展示这种能力对生物医学工程师有多有用，研究人员利用他们新获得的知识，像大自然经常做的那样，创造了一种在细胞内执行特定功能的细胞器
研究人员表明，他们可以利用国内流离失所者封装一种酶来控制其活性水平
通过改变内流离失所者的分子量，内流离失所者对酶的保持力增加或减少，这反过来影响了它与细胞其余部分的相互作用
为了证明这种能力，研究人员选择了大肠杆菌使用的一种酶
大肠杆菌将乳糖转化为可用的糖
然而，在这种情况下，研究人员用荧光报告实时跟踪这种酶的活性，以确定工程化的IDP细胞器是如何影响酶活性的
在未来，研究人员相信他们可以使用新的体内流离失所者细胞器来控制对疾病状态重要的生物分子的活性水平
或者了解自然的国内流离失所者如何扮演类似的细胞角色，并了解他们有时如何以及为什么会发生故障
“这是第一次有人能够精确地定义蛋白质序列如何控制细胞内的相分离行为，”祖里基说
“我们使用了一个人工系统，但我们认为同样的规则也适用于自然的国内流离失所者，并很高兴开始检验这一理论
" 奇尔科蒂说:“我们现在也可以通过将细胞中的任何蛋白质融合到这些人造的体内流离失所者身上，开始对这种相位行为进行编程。”
“我们希望这些人造的体内流离失所者将为合成生物学提供控制细胞行为的新工具
"
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