国外研究

Nature子刊:分子紧密聚集有利于基因表达

作者: 来源:生物帮 2018-03-07 我要评论( )

美国研究人员利用人造细胞系统发现分子聚集有利于基因表达,有利于开发出人造细胞,用于药物递送、生物燃料生产和生物传感器等。

美国研究人员利用人造细胞系统发现分子聚集有利于基因表达,有利于开发出人造细胞,用于药物递送、生物燃料生产和生物传感器等。

Nature子刊:分子紧密聚集有利于基因表达

活细胞内部是个拥挤的场所,各种蛋白质及其他大分子紧紧挤在一起

日前,美国卡内基·梅隆大学(Carnegie Mellon University)的研究人员利用人造细胞系统(Artificial Cells),对这些聚集在一起的分子进行了近似研究,发现这种紧密聚集有利于基因表达过程,尤其是在其他条件不理想的情况下。这一发现有助于合成生物学家将来开发出人造细胞,用于药物递送、生物燃料生产和生物传感器研制等。相关研究论文刊登在了近期出版的《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上。

研究人员解释道,各种分子在细胞内的聚集,与人群的聚集没有太大不同。如果一间屋子里只有少数人,聚拢一处或分散独立都很容易;但在一个拥挤的屋子里,想要四处移动就很困难,个体之间就容易更长时间地保持近距离。在细胞内也是如此,如果细胞内的空间很拥挤,两个分子结合在一起的情况就会增加。

研究人员表示,科学家在学习怎样制造人造细胞方面,还处于刚刚起步阶段。目前,在合成生物系统大部分研究是以化学溶液为基础,而这与分子聚集无关。大分子聚集是天然细胞的一个关键特征,通过体积排斥效应而影响生化动力学,减少扩散率而增加大分子的结合率。

为了模仿拥挤的细胞内环境,研究人员用了多种不同数量的聚合物,以检测它们在不同密度水平下的效果。结果发现,密集的环境使基因转录变得对环境缺乏敏感。当他们改变镁、铵和亚精胺(一种能调节大分子稳定性和结合能力的化学物质)的密度时,低密度环境下基因表达的扰动变化比在高密度环境下更大。

研究人员指出,该研究证明大分子聚集会把生物线路和人造细胞纳米系统中的细胞成分结合在一起,从而增加了基因表达的稳定性。研究人员认为,这些发现有助于理解细胞是如何适应分子聚集现象的,哪些是进化过程中保留下来的,而这些理解可能指导合成生物学家将来开发出人造细胞,用于药物递送、生物燃料生产和生物传感器等。

研究人员表示,人造细胞在药物递送、生物治理和细胞计算等方面都有着巨大的应用潜力。这项发现侧重于科学家怎样才能利用天然细胞的功能机制,使其在合成细胞系统和人造与天然细胞混合系统中发挥优势。

原文摘要:

Molecular crowding shapes gene expression in synthetic cellular nanosystems

Cheemeng Tan,Saumya Saurabh,Marcel P. Bruchez,Russell Schwartz, & Philip LeDuc

The integration of synthetic and cell-free biology has made tremendous strides towards creating artificial cellular nanosystems using concepts from solution-based chemistry, where only the concentrations of reacting species modulate gene expression rates. However, it is known that macromolecular crowding, a key feature in natural cells, can dramatically influence biochemical kinetics via volume exclusion effects, which reduce diffusion rates and enhance binding rates of macromolecules. Here, we demonstrate that macromolecular crowding can increase the robustness of gene expression by integrating synthetic cellular components of biological circuits and artificial cellular nanosystems. Furthermore, we reveal how ubiquitous cellular modules, including genetic components, a negative feedback loop and the size of the crowding molecules can fine-tune gene circuit response to molecular crowding. By bridging a key gap between artificial and living cells, our work has implications for efficient and robust control of both synthetic and natural cellular circuits.

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