近日，上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室夏小霞课题组在模式生物大肠杆菌中成功构建了一种光响应无膜细胞器，实现了目标功能蛋白质在人工无膜细胞器中的按需定位和可逆动态调控，相关研究成果“Spatiotemporal Organization of Functional Cargoes by Light-Switchable Condensation in Escherichia coli Cells”发表在JACS Au期刊。上海交通大学博士生潘芳为第一作者，夏小霞教授和合作研究的钱志刚研究员为共同通讯作者。

生物分子凝聚体是细胞中特定的蛋白质或核酸经历液-液相分离形成的亚细胞结构，通过生物分子的时空组织发挥重要的生物学功能，这种起初在真核细胞中发现的无膜细胞器，在信号传导、RNA转录、细胞周期调控等重要生命活动中发挥着重要作用。然而，在缺乏天然细胞器且尺寸更小的原核生物细胞中，实现生物分子的亚细胞精准定位并按需发挥功能还存在极大挑战，亟须研发生物分子区室化组织的动态调控工具。

在前期的研究工作中，夏小霞课题组发现蜘蛛丝蛋白可在细胞内液-液相分离形成无膜细胞区室，进而通过直接融合荧光蛋白、酶等功能蛋白质创制了功能化的无膜细胞器（Nat. Chem. Biol. 2020, 16: 1143-1148）。在此基础上，为实现无膜细胞器的刺激响应性动态调控，该课题组将光遗传学工具（iLID-SspB）与具有相分离能力的蛛丝蛋白进行模块化组合，在大肠杆菌胞内设计构建了一种光激活凝聚体（Light-Activated Synthetic Condensate, LASC）系统（图1）。该系统不仅能够快速响应蓝光刺激，在数十秒内实现对客体蛋白质的可逆招募与释放，而且这一动态的区室化组织过程能够随着光开-关的循环切换多次重复进行。

图1. 大肠杆菌中光激活凝聚体（LASC）的模块化设计及构建：以红色荧光蛋白为模型，成功实现其在细胞两极区室化结构中的快速定位和多次可逆的动态调控

为了进一步证明LASC系统的通用有效性，研究团队选用细胞分裂抑制蛋白SulA作为客体蛋白质，构建了能够按需调控SulA区室化分布的LASC系统（图2），在蓝光照射下能够将SulA蛋白招募至细胞两极的区室中，通过物理上的空间隔离阻碍其发挥生物学功能；在光源撤去后，前期招募到区室中的SulA蛋白能够快速释放到细胞质中发挥正常的生物学功能。由此形成的无膜细胞器，通过SulA的亚细胞定位“开关式”地按需发挥功能，从而实现对大肠杆菌细胞形态的时空精准调控。

图2. LASC系统对大肠杆菌细胞形态的动态可逆调控

该研究成果不仅能够加深对人工无膜细胞器分子基础和运行机理的认识，而且可以为动态调控原核细胞生命过程提供一种光遗传学新策略。该研究工作获得国家重点研发计划（2020YFA0907702）和国家自然科学基金（32270107、22075179和32071414）等课题的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacsau.4c00017