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细菌作为生物制药和生物工程中的“生产工厂”，被广泛用于合成多种蛋白质。然而，当前的细菌表达系统面临一个关键问题：在蛋白合成过程中，翻译效率往往受到细胞内其他生物反应的干扰，导致产量较低，甚至可能影响目标蛋白的功能和稳定性。

为了解决这一瓶颈，杜克大学的研究团队提出了一种新颖的策略：通过合成生物凝聚体（synthetic biological condensates），在细菌内构建出一个高效、可控的蛋白合成“反应炉”，大大提高了蛋白质的生产效率。这项成果以“Synthetic biomolecular condensates enhance translation from a target mRNA in living cells”为标题发表在上 Nature Chemistry。

这项技术的核心在于细胞内的“液-液相分离（Liquid-Liquid Phase Separation, LLPS）”现象。在细胞中，液-液相分离能够将特定的生物分子和蛋白质浓缩在一起，形成一种类似“小型反应室”的结构。这种结构能够有效地调节生物分子之间的相互作用，增强其催化或合成活性。杜克大学的研究团队利用这一原理，设计了一种合成的生物凝聚体，这种凝聚体能够将目标蛋白的合成过程高度集中和调控，从而提升细菌内的蛋白生产能力。

研究人员使用了一种叫做“弹性样多肽（Elastin-like Polypeptides, ELPs）”的特殊蛋白质，这些蛋白质由重复的“Val-Pro-Gly-Xaa-Gly”序列组成，其中 Xaa 的主要成分为丙氨酸（约 70%）和缬氨酸（约 30%）。ELPs 具有温度敏感性，能够在一定的相变温度下从溶解状态转变为凝聚体，形成一个高密度的反应区。通过调节这些 ELPs 的序列和浓度，研究团队能够精确控制凝聚体的形成条件，进而优化蛋白质合成过程。

图 | mRNA 与 Pum2-ELP 结合形成 LLPS（液-液相分离）凝集体，从而增加蛋白质翻译（来源：上述论文）

然而，ELPs 并不仅仅是作为构建凝聚体的基础成分，它们的功能还得到了进一步的增强。研究团队将 ELPs 与 Pumilio2 蛋白的 RNA 结合域（Pum2）融合，形成了 Pum2-ELP 复合体。这一复合体的设计至关重要，因为 Pum2 能够特异性地识别并结合 mRNA 序列，特别是那些编码目标蛋白的 mRNA。因此，Pum2-ELP 复合体不仅在细胞内形成了凝聚体，还能够将目标 mRNA 汇聚到这些凝聚体中，显著提高其局部浓度。这一策略的关键优势在于，它通过将 mRNA 集中在一个特定的区域，避免了细胞内其他生物分子和核糖体对 mRNA 的竞争，从而加速了目标蛋白的翻译过程。

为了验证这一合成凝聚体的效果，研究团队在大肠杆菌中进行了多轮实验。他们通过不同的 ELPs 序列和 Pum2 结合域的组合，观察了蛋白合成的效率。实验结果表明，Pum2-ELP 复合体能够显著提升目标蛋白的合成速率，特别是对于那些通常在常规表达系统中表达困难的蛋白。与传统方法相比，这种新策略能够使目标蛋白的表达量增加数倍，并且有效降低了蛋白质聚集的风险，避免了常见的蛋白误折叠和功能丧失问题。例如，最佳设计使 mCherry 荧光蛋白的产量提升了 136%。

图 | mCherry 蛋白含量的量化确认了合成 RNPGs 增强了蛋白质翻译并优先隔离目标 mRNA（来源：上述论文）

“凝聚体对于细胞来说非常有用，因为它们能够在新条件或挑战出现时临时控制基因表达。通过在蛋白质生产层面快速控制基因表达，而不是在 DNA 层面，凝聚体可以在几分钟内改变产生哪些蛋白质，而不是需要几小时甚至几天的时间。”Daniel Shapiro 说道，他是杜克大学生物医学工程  Ashutosh Chilkoti 实验室的博士生。

此外，研究团队还探索了合成凝聚体的物理性质如何影响蛋白合成效率。例如，通过调整 ELPs 的相变温度和凝聚体的粘度，研究人员能够优化反应环境，从而进一步提高蛋白的生产效率。凝聚体的体积甚至能够达到细胞容积的 50%，而且不会影响细菌的正常生长，这为其工业化应用奠定了基础。该系统也表现出较强的通用性，可以兼容多种目标蛋白，包括药用蛋白和工业酶。

这项研究为蛋白质生产提供了一种全新的思路，特别是对于那些复杂的、难以在细菌中高效表达的蛋白质，合成生物凝聚体的应用具有巨大的潜力。例如，研究团队已成功将这一技术应用于糖尿病治疗肽 GLP-1 的微生物合成，并将产量提升了 3.2 倍，且产物活性更高。这些成果表明，合成生物凝聚体在生物制药领域有着广阔的应用前景。

这项研究不仅展示了合成生物学在细胞工厂优化方面的巨大潜力，还开辟了蛋白质合成的精准调控新路径。通过进一步优化合成凝聚体的构造、提高其稳定性和适应性，未来这一技术或将在生物制造、药物开发以及合成生物学的其他领域发挥重要作用。

参考链接：

1.Daniel Mark Shapiro et al, Synthetic biomolecular condensates enhance translation from a target mRNA in living cells, Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-024-01706-7

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