細(xì)胞是一種遠(yuǎn)離平衡的自組織系統(tǒng)，在膜邊界的約束下持續(xù)進(jìn)行能量與物質(zhì)交換。從生物大分子出發(fā)構(gòu)建單細(xì)胞生命，長期被視為科學(xué)界最具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)之一。實(shí)現(xiàn)合成細(xì)胞的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于重建膜相關(guān)功能，如選擇性物質(zhì)運(yùn)輸、跨膜能量轉(zhuǎn)換與信號(hào)傳遞等，這些過程高度依賴細(xì)胞膜上正確折疊并穩(wěn)定整合的膜蛋白。然而，膜蛋白通常含有多個(gè)疏水跨膜片段，在水相環(huán)境中易發(fā)生聚集、錯(cuò)折疊，尤其在缺乏轉(zhuǎn)位酶等輔助因子的情況下，其功能化整合效率極低，嚴(yán)重制約了合成細(xì)胞的功能復(fù)雜度與穩(wěn)定性。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)室SM4課題組長期致力于單分子核酸動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)與生物界面物理研究。近期，該課題組在合成細(xì)胞中膜蛋白的原位合成與整合方面取得重要突破。研究團(tuán)隊(duì)以巨型單層脂質(zhì)囊泡為合成細(xì)胞模型，借鑒天然細(xì)胞中“翻譯—插入”協(xié)同機(jī)制，在國際上首次提出并實(shí)現(xiàn)了“膜近端空間約束mRNA翻譯”新策略：通過將mRNA精準(zhǔn)錨定于脂質(zhì)膜表面，引導(dǎo)核糖體在膜附近富集，驅(qū)動(dòng)疏水跨膜結(jié)構(gòu)在翻譯過程中直接插入脂質(zhì)雙層，從而顯著提升膜蛋白的合成與功能整合效率。

該方法的創(chuàng)新之處在于，研究團(tuán)隊(duì)在目標(biāo)膜蛋白mRNA的3′非翻譯區(qū)（3′-UTR）嵌入一段特異性識(shí)別標(biāo)簽，并結(jié)合膽固醇修飾的單鏈DNA（chol-ssDNA）作為膜錨定元件。膽固醇基團(tuán)自發(fā)嵌入囊泡膜，chol-ssDNA則穩(wěn)定錨定于膜表面；當(dāng)mRNA被轉(zhuǎn)錄并攜帶標(biāo)簽序列后，即可與膜上的chol-ssDNA通過雜交實(shí)現(xiàn)定位。該設(shè)計(jì)使得翻譯過程被限制在膜表面納米尺度范圍內(nèi)，新生肽鏈的疏水區(qū)域在離開核糖體后即可被附近的脂質(zhì)雙層快速捕獲，從而避免在水相中聚集與錯(cuò)誤折疊，大幅提高功能性膜蛋白的整合成功率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可使多種跨膜蛋白在GUV膜上的整合效率提升約一個(gè)數(shù)量級(jí)，并成功實(shí)現(xiàn)如選擇性小分子運(yùn)輸?shù)裙δ茯?yàn)證。更為重要的是，該方法支持通過調(diào)節(jié)不同mRNA的膜錨定比例，實(shí)現(xiàn)膜蛋白組成的化學(xué)計(jì)量比精確調(diào)控，為構(gòu)建具備可編程膜功能的合成細(xì)胞奠定了基礎(chǔ)。該平臺(tái)無需改造蛋白序列或核糖體，與現(xiàn)有無細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)完全兼容，具有高度的通用性與可擴(kuò)展性。

圖：膜蛋白合成的三種模式：(i) 在水相溶液中，疏水性膜蛋白在翻譯后易發(fā)生錯(cuò)誤折疊并聚集；(ii) 在細(xì)胞內(nèi)，膜蛋白的翻譯與插入通過SRP通路實(shí)現(xiàn)共翻譯介導(dǎo)；(iii) 本研究提出的mRNA膜近端翻譯策略。

此項(xiàng)研究的共同第一作者包括中國科學(xué)院物理研究所的博士后付航與馬利娟，通訊作者為李明研究員與陸穎研究員。該工作得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDB0480000）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、科技部及中國博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。相關(guān)成果發(fā)表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上，標(biāo)題為“Spatially regulated mRNA translation enables functional membrane protein integration in synthetic cells”。

編輯：楊樂多