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Nature里程碑式研究成果:首个人造核糖体

来自伊利诺伊大学和西北大学的研究人员构建出了一种亚基栓系在一起的核糖体,它几乎能像真正的细胞器一样发挥作用,在细胞内合成所有的蛋白质和酶。这一工程核糖体或可用来生成一些新的药物和新一代的生物材料,并促成更深入地了解核糖体的功能。

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这一称作为Ribo-T的人造核糖体,是由伊利诺伊大学药学院生物分子科学中心主任Alexander Mankin及西北大学化学与生物工程系助理教授Michael Jewett的实验室合作构建出来的。研究人员或许可以在实验室中操控这一人造核糖体完成一些天然核糖体无法做到的事情。


在蛋白质生成过程中,细胞会首先将DNA转录为信使RNA(mRNA)。然后核糖体的两个大小亚基(两者都是由RNA和蛋白质构成)结合到mRNA上形成功能单位,在翻译过程中装配出蛋白质。一旦完成蛋白质合成,核糖体亚基会彼此分离。


在发表于《自然》(Nature)杂志上的一项新研究中,研究人员描述了他们设计出这一亚基无法分离的核糖体Ribo-T的过程及其它的特性。人们或许可以调节Ribo-T来生成一些独特的功能性聚合物(polymer)探索核糖体的功能,或是开发出一些设计疗法——甚至在某一天生成一些非生物聚合物。


此前从未有人开发过这类东西。Mankin说:“我们感觉只有很小很小的机会Ribo-T能够起作用,我们真的不是很确定。”


在每一个蛋白质合成周期中核糖体的亚基都会结合及分离,这让Mankin、Jewett和同事们在他们的研究中感觉受挫。能够让这些亚基永久地连接在一起吗?研究人员设计出了一种亚基栓系在一起的新颖设计核糖体Ribo-T。


Jewett说:“我们最终证实了,通过构建出两个亚基共享一条核糖体RNA ,由这些小栓绳而将亚基连接在一起的工程核糖体,我们实际上制造出了一个双翻译系统。”


“令人惊讶的是,我们的杂交嵌合RNA能够支持细胞中功能性核糖体的装配。这一亚基栓系在一起的核糖体能够在缺乏野生型核糖体的情况下支持生长更是令我们感到惊喜。”


Ribo-T甚至比Mankin和Jewett预想的还能更好地运作。Ribo-T不仅在试管中制造出了蛋白质,它还在缺乏天然核糖体的细菌细胞中生成了足够的蛋白使得细菌存活下来。


对此Mankin和Jewett感到非常惊讶。科学家们以往认为,两个核糖体亚基分离是蛋白质合成的必要条件。


“显然这一假设是错误的,”Jewett说。


“我们的新蛋白质制造工厂为以一种独特及革命性的方式扩充遗传密码带来了希望,为合成生物学及生物分子工程学提供了令人兴奋的机会,”Jewett说。


“通过采用从前无法触及的、蛋白质合成机器最关键的组件来开展实验,我们为探究核糖体的功能提供了一个令人兴奋的新工具,”Mankin说。

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