分子生物学研究所 (IMB) 和美因茨约翰内斯古腾堡大学 (JGU) 的研究人员开发了一种将新功能设计到细胞中的方法。结果于今天发表在《细胞》杂志上的文章“双膜状细胞器使正交真核翻译的空间分离成为可能”。

许多过程发生在活细胞内，从 DNA 复制和修复到蛋白质合成和再循环。为了组织这种过多的反应，它们必须在三维空间中分开。真核细胞的一种方式这是通过挤压一块膜形成一个膜封闭空间——一个细胞器——在其中可以发生特定的功能。或者，细胞还可以通过相分离将分子分离到不同的区域(所谓的无膜细胞器)，这种现象类似于沙拉酱中醋和油的分离。这种无膜细胞器具有优势：由于它们没有通过膜屏障与细胞的其余部分分开，因此大分子可以更容易地进出。因此，膜封闭的细胞器像细胞中的独立“房间”一样运作，而无膜细胞器则像同一房间的不同角落一样运作。

细胞中最重要的过程之一是蛋白质合成，其中 RNA 代码被翻译成蛋白质代码，其中包含制造蛋白质的蓝图。这些代码就像细胞的语言。如果可以设计一个细胞器并致力于以新的方式(即使用不同的语言)翻译 RNA 代码，则生成的蛋白质的功能也可以改变，赋予它独特的特性，例如，可以用来转换它的功能打开或关闭，或允许蛋白质在活细胞中可视化。

2019 年，Edward Lemke 教授和他的研究团队成功创建了一种人工无膜细胞器，该细胞器使用新代码或语言翻译 RNA 代码，而不会干扰细胞其余部分的 RNA 翻译。现在，Edward 和他实验室的学生 Christopher Reinkemeier 通过创造可用于将细胞过程细分为更小的空间的薄膜状细胞器，进一步巩固了这一成功。

“最大的好处是我们能够创造极小的反应空间——这样我们就可以在一个细胞中同时拥有几个，”莱姆克教授解释说。“我们已经将大型 3D 细胞器转化为膜表面上的 2D 细胞器，甚至可以在这些薄层中进行复杂的生化反应。” 使用这些更薄的细胞器，同一个细胞现在可以将 RNA 代码翻译成三种不同的语言——从而产生三种不同的蛋白质——在“同一个房间的不同角落”，而翻译之间不会相互干扰。这意味着相同的蛋白质现在可以具有三种不同的功能，具体取决于它是在哪个“角落”制造的。

这种新方法不仅使科学家能够设计出具有独特功能的蛋白质，而且还帮助他们更好地了解真核细胞功能是如何进化的。Reinkemeier 博士说：“我们可以更多地了解膜空间中的复杂功能是如何发生的，膜具有哪些独特的功能，以及当您使用 2D 相分离浓缩蛋白质时会在那里产生哪些特殊的反应空间。” “通过设计这些类似薄膜的细胞器，我们还可以更好地了解大自然如何利用这种机制来创造具有新功能的蛋白质。”

Edward Lemke 是 IMB 的兼职主任，也是美因茨约翰内斯古腾堡大学的合成生物物理学教授。