团队使用合成生物学来阐明细胞功能的复杂性

亚利桑那州立大学的Giovanna Ghirlanda和Matthias Heyden，分子科学学院的教授和物理系教授Sara Vaiana正在通过一个新镜头观察我们的细胞，使他们能够获得对几种细胞活动机制的新见解。除了膜包裹的细胞器 - 细胞核，线粒体和高尔基体之外，仅举几个真核细胞就有许多缺乏肠衣的隔室。这些基于蛋白质的液体球，称为无膜细胞器，执行各种细胞功能，这些功能在细胞质中效率较低或根本不可能。研究人员现在正在研究无膜细胞器可能在与疾病相关的蛋白质聚集中发挥作用，例如阿尔茨海默氏症。

Ghirlanda，Heyden和Vaiana正在探索支撑这些细胞器形成的生物物理学，并利用这些信息来设计人造细胞器。他们的研究探索了一种实现区域化的创新方法，在合成生物学和催化方面具有可预见的应用。

在过去的十年中，研究人员已经了解到一种众所周知的现象，称为液 - 液相分离(LLPS)，它控制着这些大型无膜结构中几种的形成和功能。细胞内部的新兴图景是，细胞质和核质是复杂的液体，可以稳定地分离，类似于油和醋。借用物理化学和软物质物理等领域的知识 - 解释液 - 液相分离的理论已经为从加工食品中的稳定剂到化妆品，从治疗药膏到油漆 - 生物学家的产品的开发有所了解，现在正在开发一种新的理解到目前为止，已有近二十二种无膜结构。

这些结构的重要性日益明显。这些无膜结构通过生物聚合物(例如蛋白质和RNA)的液 - 液相分离形成，通常响应于刺激。

该团队正在研究是否可以开发LLPS来生成能够执行复杂催化功能的设计的无膜细胞器。这些新结构的应用范围从提高工业应用的体外酶级联效率，到在人造细胞中提供技术简单，有吸引力的蛋白质胶囊和脂质体替代品。

“如果成功，我们的方法将通过简单地将设计的标签融合到所选择的酶上，直接获得无膜细胞器，”Ghirlanda解释道。“此外，我们的计算方法将提供一种方法来定制酶的标签序列。”Ghirlanda实验室的同期工作重点是人工金属蛋白的设计。从长远来看，它们的目标是产生含有人工金属酶的细胞器，这些细胞能够催化氢的产生以及二氧化碳的还原。Heyden实验室的工作重点是建立拥挤环境的计算机模拟方法，例如在无膜细胞器中发现的方法：该团队目前的研究证明了这些方法的一个很好的试验场。

Vaiana实验室致力于相分离，因为它涉及神经退行性疾病。在这种情况下，他们正在建立生物物理方法，以在体外和体内表征LLPS。他们正在将他们的方法应用于LLPS以帮助表征无膜细胞器，并确定支持每个序列的相变的关键相互作用。

了解机制并量化导致淀粉样蛋白聚集和疾病的驱动力可能导致迫切需要治愈阿尔茨海默病。

三人(三位教授)最近获得了国家科学基金会EAGER资助，以继续他们的研究。NSF的EAGER专门用于潜在的变革性研究，探索新的主题，不同的方法或跨学科的方法，正是人们对创新研究的期望。

总之，将内部细胞环境视为含有多个液滴作为无膜细胞器的液体，标志着细胞生物学理解的转折点。这个概念很年轻，液 - 液相分离组织细胞间隙的方式和原因仍然存在问题。但是，很明显，这种现象支撑着越来越多长期观察到的无膜细胞器的形成和功能。通过这项研究，该团队旨在利用这一现象应用于催化和合成生物学。

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