科学家剖析并重新设计基于蛋白质的图案形成

探究蛋白质的功能部分或“基序”，已帮助科学家确定了蛋白质形成生物学模式所需的最少成分。

研究人员在《eLife》杂志上发表文章，描述了他们如何将蛋白质模式形成的生物学现象分解为主要功能模块，然后以全新的方式从头开始重建这一过程。

蛋白质自组织形成活细胞中的模式，这对于关键功能(例如细胞分裂，通讯和运动)至关重要。一个明显的例子是大肠杆菌(E. coli)的MinDE系统。该系统在杆状细菌的两个极点之间产生两种蛋白质类型MinD和MinE的振荡，从而将细胞分裂的机器定位到中细胞。它可以在实验室中重建，从而使科学家可以控制和操纵通过蛋白质突变形成模式所需的功能元件。

“由于其简单性，MinDE系统在理解基于蛋白质的模式形成机理方面具有不可估量的价值，” Philipp Glock博士说。他是德国慕尼黑马克斯·普朗克生物化学研究所的学生，并与慕尼黑路德维希·马克西米利安大学的弗里德乔夫·布劳恩斯和雅各布·哈拉特克共同担任主要作者。“仍然存在的关键问题是，是否可以进一步降低这种结构和功能的复杂性，以揭示出形成图案所需的最少成分。”

为了回答这个问题，格洛克和他的同事们创建了MinE的简约版本，该MinE 通过在理论建模的指导下将蛋白质分解为一组核心功能基序，从而在两种蛋白质的MinDE系统中发挥了对抗作用。一个基序，MinE用于与MinD相互作用的短螺旋氨基酸序列，不足以单独产生模式。但是，一次添加一个MinE的其他功能性基序，使科学家能够完全设计出新的最小化模式形成蛋白突变体。

研究小组发现至少需要一个其他功能性图案才能形成图案。这可以是与膜结合的基序，也可以是与相同种类的其他分子结合的二聚基序。这些主题均不需要来自本地MinE，但可以替换并可能进一步简化。

然后，数学建模使作者可以解释为什么需要这些功能以及它们如何使模式形成。此外，他们预测了这些模式如何适应大肠杆菌中的细胞形状。研究小组说，测试这些预测是未来实验的一个令人兴奋的目标。

马克斯·普朗克细胞与分子生物物理学系主任Petra Schwille博士说：“我们的工作为模块化和可调节的实验平台提供了一个起点，从而可以自下而上地设计基于蛋白质的图案形成。”生物化学研究所，与资深物理学家欧文·马克西米利安斯大学的理论物理学家欧文·弗雷(Erwin Frey)共同撰写。她补充说，尽管新系统创建的模式比本地MinDE系统形成的模式不规则，但它们仍然足以再现和研究基本的生物学过程。

现在，该模型可用于研究哪些功能特征，无论特定的蛋白质系统如何，都需要结合起来以实现生物学中的自组织和模式形成。Schwille总结说：“我们的模块化方法还可能为计算机模拟其他类型细菌以及更复杂的生物中的模式形成提供必要的数据。”

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