近日，EON体育4科研團隊率先構建了遺傳編碼的人工無膜細胞器體系，這個主要由兩種蛋白質形成的二元區室化結構體系，不僅能夠在細胞環境下實現組分上的正交共存🧺，而且可以在時空尺度上實現可編程的生物分子傳遞和信息反饋🧑🏻‍🔬。這一成果為無膜細胞器之間的溝通與協作提供了一個全新的合成生物學研究平臺，同時也為無膜細胞器群落的功能化定製和按需動態運行奠定了基礎。相關研究成果以“Programming biological communication between distinct membraneless compartments”為題發表於Nature Chemical Biology期刊。EON体育4平台、微生物代謝國家重點實驗室博士生吉博濤👮🏼‍♀️📂、潘河同為共同第一作者👨‍👧‍👦，夏小霞教授🧜🏿‍♂️、錢誌剛研究員為共同通訊作者。

無膜細胞器是近年來在真核細胞中發現的一類亞細胞區室結構，主要通過特定的蛋白質或核酸大分子經歷液-液相分離聚集形成，由於沒有脂膜的包被因而具有更好的物質交換和響應生理刺激的動態特性，在細胞生命過程中發揮著重要作用🍟。受天然無膜細胞器結構與功能的啟發，該團隊前期利用類蛛絲蛋白、類節肢彈性蛋白等人工結構蛋白質的液-液相分離特性，率先在原核生物大腸桿菌中構建了功能化的人工無膜細胞區室，初步展現了原核細胞內生化反應時空調控的可行性和優越性（Nature Chemical Biology, 2020, 16:1143-1148）💁🏼‍♂️，進而系統提出人工無膜細胞器驅動的細胞代謝調控研究思路📨，通過模塊化設計和精準組裝⛹🏽‍♂️👲🏻，構建具有單一生物學功能的人工無膜細胞器（Nature Chemical Biology, 2022, 18:1330-1340）🛴。組分不同的無膜細胞器如何在細胞環境下共存，如何實現無膜細胞器種間的物質傳遞和功能協同🤾🏼‍♂️🏂🏿，這些問題吸引著越來越多生物學家和化學家的關註和探索🦴。

無細胞表達系統作為一種重要的體外研究工具🗿，不僅能夠模擬天然的細胞環境，保留DNA到功能性蛋白質合成所必需的多種生物成分♧，而且可以避免內源細胞器、分裂等細胞本征行為的幹擾🫳🏻。受此啟發👩‍🚒，該團隊基於原核模式生物大腸桿菌的細胞提取物，構建了組成正交🌍、能夠共存並進行生物通訊的二元無膜細胞器體系。得益於液-液相分離機製和能力迥異的兩種蛋白質--類節肢彈性蛋白R32和新月柄桿菌的細胞極點組織蛋白PopZ，以及外源添加和原位表達兩種蛋白質形成方式🗯，這一創新性的設計使得兩種遺傳編碼的目標蛋白質能夠在細胞環境條件下快速地形成不混溶的二元無膜區室體系（圖1）。這種二元的區室化結構，還可以通過popZ基因模板或R32蛋白質的添加時機進行編程，成功實現了區室形成時序的按需定製。

圖1 正交共存的二元無膜細胞區室

研究還發現🐙，物理上隔離🧑‍🤝‍🧑、組成及微環境迥異的二元無膜區室👈🏿，不僅能夠有偏好性地富集小分子探針🤛，而且可以支持它們從偏好性弱的區室向偏好性更強區室的定向傳遞。在此基礎上，該團隊還巧妙地設計了一個區室偏好性可切換的“貨物”蛋白質𓀁，通過其前體蛋白上靶向肽的可控裂解，實現目標蛋白質在R32 /Pop Z區室中的選擇性富集和觸發式定向傳遞（圖2）。

圖2 “貨物”蛋白質的設計及其在異質區室間的定向傳遞

得益於相分離及貨物蛋白質的DNA可編碼性和功能可拓展性🟠，該研究還進一步對二元無膜區室進行功能化，使其執行可編程的生物學行為。由此獲得的二元無膜細胞器🏩，其中一方可以發揮貯存器和處理器功能🧚，另一方則發揮控製器和接收器功能，讓隨之發生的信號處理過程（DNA->信使RNA->貨物蛋白->靶向無膜細胞器）通過基因回路反饋調控，從而在時空尺度上實現了異質細胞器間的可編程性交流協作（圖3）。

該研究獲得科技部國家重點研發計劃（2022YFC3401700、2020YFA0907702）、國家自然科學基金（32071414、32270107）和上海市“科技創新行動計劃”合成生物學重點專項等項目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41589-025-01840-4.