摘要：Plant Cell雜志最新報道美國密西根大學(xué)研究成果，研究者們在藍(lán)細(xì)菌中構(gòu)建新型“瑞士軍刀蛋白”——嵌合羧酶體復(fù)合物，在結(jié)構(gòu)和功能上取代了羧酶體形成所需的四個基因，有效減小多個基因表達(dá)調(diào)控的遺傳壓力，改造菌株可正常進(jìn)行光合作用，有望用于生物燃料合成。
假設(shè)在喝咖啡之前，你需要用烤箱烘焙咖啡豆，再用研磨機(jī)碾碎，最后進(jìn)行調(diào)制沖泡的話，是不是會感到困倦？在這時候，如果送你一臺咖啡機(jī)，只需加入原料，便可等待香濃的咖啡，你是否會欣喜若狂？同樣為了減輕藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞調(diào)控的壓力，美國密西根大學(xué)的研究者們致力于簡化羧酶體復(fù)合物的表達(dá)基因，組裝最核心的蛋白結(jié)構(gòu)域以保存其二氧化碳固定能力，減少所需的基因數(shù)量。最終成功在藍(lán)細(xì)菌中構(gòu)建新型“瑞士軍刀蛋白”——嵌合羧酶體復(fù)合物，集合多種功能于一體，在結(jié)構(gòu)和功能上取代了羧酶體形成所需的四個基因，有效減小多個基因表達(dá)調(diào)控的遺傳壓力，改造菌株可正常進(jìn)行光合作用，有望用于生物燃料合成。這是蛋白質(zhì)工程與代謝工程的完美結(jié)合，想要知道研究者們是如何裝修藍(lán)細(xì)菌的細(xì)胞工廠嗎？這樣的裝修有什么應(yīng)用前景？讓我們一起走進(jìn)嵌合羧酶體的構(gòu)建過程：
1. 藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞工廠
藍(lán)細(xì)菌生長快速、具有二氧化碳固定能力而且遺傳操作相對簡單，因此被認(rèn)為是具有重要潛力的生物燃料合成平臺。此外，藍(lán)細(xì)菌自養(yǎng)生長，不依賴可發(fā)酵的糖，而且無需占用耕地面積，多年來已經(jīng)在其中實現(xiàn)大量與生物燃料相關(guān)的化合物合成，例如乙醇、異丁醛與異丁醇。如此備受親賴的細(xì)胞工廠，如果能進(jìn)一步進(jìn)行裝修改造，減輕宿主細(xì)胞的代謝壓力，或許能讓生物燃料的合成產(chǎn)量更上一層樓了。
2. 什么是羧酶體
微生物的微區(qū)室是（BMCs）是指一類自我裝配的結(jié)構(gòu)相似、更能多樣化的細(xì)胞器，在其蛋白外殼保護(hù)下，可隔絕外部的生化反應(yīng)。由于BMCs功能多樣化，因此在合成生物學(xué)的應(yīng)用中，可作為資源豐富的代謝模塊。在藍(lán)細(xì)菌中，羧酶體是第一個被鑒定的BMC，在這個微區(qū)室中進(jìn)行著碳濃縮，通過隔絕二磷酸核酮糖羧化酶與碳酸酐酶在其蛋白殼內(nèi)以提高二氧化碳的固定。羧酶體可為BMCs的研究提供一個理想的測試系統(tǒng)，因為藍(lán)細(xì)菌需要具有功能的羧酶體才可存活。因此，羧酶體深深地吸引了研究者們的目光。
羧酶體的自我組裝過程包含了至少6個基因產(chǎn)物的蛋白相互作用，形成一個蛋白核心，在核心外面再形成一個蛋白外殼。這樣的過程讓羧酶體的調(diào)控和組裝更加復(fù)雜，同時也讓羧酶體（或功能多樣的BMCs）轉(zhuǎn)移到異源宿主的操作更具有挑戰(zhàn)性。為了克服這樣一個瓶頸，密西根大學(xué)的研究者們構(gòu)建了簡化的嵌合羧酶體，為藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞工廠創(chuàng)造更多的可能。
3. 嵌合羧酶體的誕生
所謂嵌合羧酶體的構(gòu)建，也就如同一把瑞士軍刀，讓最核心的必須原件集中起來，拋棄冗余的附件，在最集中的空間集成化解決問題。羧酶體主要由兩個部分構(gòu)成：蛋白外殼與核心部分（圖1）。研究者們通過分析蛋白結(jié)構(gòu)域的相互作用，將來源于野生型羧酶體的四個組分蛋白的片段結(jié)合起來，構(gòu)建了單個嵌合蛋白，簡化了羧酶體的核心部分。新合成的嵌合羧酶體支持藍(lán)細(xì)菌的正常光合作用，成功縮短羧酶體形成所需的4個基因，減小細(xì)胞遺傳調(diào)控與代謝壓力。
圖1 野生型（A）與簡化的羧酶體(B)核心結(jié)構(gòu)對比
4. 嵌合羧酶體的意義與價值
細(xì)胞內(nèi)的各種BMCs組成了豐富的代謝模塊，羧酶體便是典型的BMC成員。相信嵌合羧酶體的成功構(gòu)建能在一定程度上增加合成生物學(xué)研究者們的信心，通過蛋白結(jié)構(gòu)域的相互作用可以成功獲得新的BMC，當(dāng)然這樣的思想也可以平移到其他BMC的設(shè)計中。此外簡化后羧酶體是可以一直到異源宿主中呢？其實我也十分好奇，如果將簡化后的BMC植入植物細(xì)胞的話，是否可以增加二氧化碳的固定能力？減少溫室效應(yīng)？如果植入大腸桿菌等細(xì)菌中，加以進(jìn)一步的改造后，是否可以讓異養(yǎng)型的細(xì)菌也愛上“吃”二氧化碳呢？裝修后的藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞工廠負(fù)荷減小了，是否能更好地合成生物燃料呢？好多好多的問號就此冒出來啦，我們將持續(xù)關(guān)注……