近日，上海交通大学科研团队率先构建了遗传编码的人工无膜细胞器体系，这个主要由两种蛋白质形成的二元区室化结构体系，不仅能够在细胞环境下实现组分上的正交共存，而且可以在时空尺度上实现可编程的生物分子传递和信息反馈。这一成果为无膜细胞器之间的沟通与协作提供了一个全新的合成生物学研究平台，同时也为无膜细胞器群落的功能化定制和按需动态运行奠定了基础。相关研究成果以“Programming biological communication between distinct membraneless compartments”为题发表于Nature Chemical Biology期刊。生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室博士生吉博涛、潘河同为共同第一作者，夏小霞教授、钱志刚研究员为共同通讯作者。

无膜细胞器是近年来在真核细胞中发现的一类亚细胞区室结构，主要通过特定的蛋白质或核酸大分子经历液-液相分离聚集形成，由于没有脂膜的包被因而具有更好的物质交换和响应生理刺激的动态特性，在细胞生命过程中发挥着重要作用。受天然无膜细胞器结构与功能的启发，该团队前期利用类蛛丝蛋白、类节肢弹性蛋白等人工结构蛋白质的液-液相分离特性，率先在原核生物大肠杆菌中构建了功能化的人工无膜细胞区室，初步展现了原核细胞内生化反应时空调控的可行性和优越性（Nature Chemical Biology, 2020, 16:1143-1148），进而系统提出人工无膜细胞器驱动的细胞代谢调控研究思路，通过模块化设计和精准组装，构建具有单一生物学功能的人工无膜细胞器（Nature Chemical Biology, 2022, 18:1330-1340）。组分不同的无膜细胞器如何在细胞环境下共存，如何实现无膜细胞器种间的物质传递和功能协同，这些问题吸引着越来越多生物学家和化学家的关注和探索。

无细胞表达系统作为一种重要的体外研究工具，不仅能够模拟天然的细胞环境，保留DNA到功能性蛋白质合成所必需的多种生物成分，而且可以避免内源细胞器、分裂等细胞本征行为的干扰。受此启发，该团队基于原核模式生物大肠杆菌的细胞提取物，构建了组成正交、能够共存并进行生物通讯的二元无膜细胞器体系。得益于液-液相分离机制和能力迥异的两种蛋白质--类节肢弹性蛋白R32和新月柄杆菌的细胞极点组织蛋白PopZ，以及外源添加和原位表达两种蛋白质形成方式，这一创新性的设计使得两种遗传编码的目标蛋白质能够在细胞环境条件下快速地形成不混溶的二元无膜区室体系（图1）。这种二元的区室化结构，还可以通过popZ基因模板或R32蛋白质的添加时机进行编程，成功实现了区室形成时序的按需定制。

图1 正交共存的二元无膜细胞区室

研究还发现，物理上隔离、组成及微环境迥异的二元无膜区室，不仅能够有偏好性地富集小分子探针，而且可以支持它们从偏好性弱的区室向偏好性更强区室的定向传递。在此基础上，该团队还巧妙地设计了一个区室偏好性可切换的“货物”蛋白质，通过其前体蛋白上靶向肽的可控裂解，实现目标蛋白质在R32 /Pop Z区室中的选择性富集和触发式定向传递（图2）。

图2 “货物”蛋白质的设计及其在异质区室间的定向传递

得益于相分离及货物蛋白质的DNA可编码性和功能可拓展性，该研究还进一步对二元无膜区室进行功能化，使其执行可编程的生物学行为。由此获得的二元无膜细胞器，其中一方可以发挥贮存器和处理器功能，另一方则发挥控制器和接收器功能，让随之发生的信号处理过程（DNA->信使RNA->货物蛋白->靶向无膜细胞器）通过基因回路反馈调控，从而在时空尺度上实现了异质细胞器间的可编程性交流协作（图3）。

该研究获得科技部国家重点研发计划（2022YFC3401700、2020YFA0907702）、国家自然科学基金（32071414、32270107）和上海市“科技创新行动计划”合成生物学重点专项等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41589-025-01840-4.