https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160239
Abstract
Biomolecular condensates represent unique structures capable of regulating cellular metabolism and physiology via phase separation within a confined subcellular milieu. Recent studies have highlighted the potential for intrinsically disordered regions (IDRs) and helical structures to condense into liquid droplets that function as membraneless organelles. Due to their spatial demarcation and ability to colocalize or sequester biological molecules, these artificial compartments present a compelling target for spatially organizing biosynthetic pathways in prokaryotes devoid of organelles. In this study, we delved into the self-association capacity of IDRs and putative helixes derived from two distinct phase-separating proteins PodJ and PopZ, respectively. Based on modular combination of each block, a diblock copolymer model with enhanced condensation capability was engineered. Furthermore, the physiochemical properties of the constructed condensates can be fine-tuned by the adjustment of these two components, and the valency of the IDR-helix module. As a proof of concept, the scaffold was utilized to orchestrate and augment metabolic flux towards the production of several human milk oligosaccharide products in E. coli. This versatile system has promising implications for partitioning bacterial cytoplasm into distinct subcellular zones and compartmentalizing proteins of interest in engineered cells with future synthetic biology applications.
요약
- 막이 없는 세포소기관(MLO) 시스템의 설계: 연구진은 세균 세포 내에서 특정 대사 과정을 조절할 수 있는 막이 없는 세포소기관(Membraneless Organelle, MLO) 시스템을 개발하였습니다. 기존의 세포 내 대사 반응은 무작위적으로 일어나는 경우가 많지만, 이 연구에서는 특정 단백질 구조를 활용하여 효소를 한곳에 집중시켜 대사 효율을 향상시키는 방법을 제안하였습니다.
- IDR(내재적으로 무질서한 영역) 및 나선형 단백질을 기반으로 한 응축체 형성: 연구진은 PodJ 및 PopZ 단백질에서 유래한 내재적으로 무질서한 영역(IDR)과 α-나선 구조를 조합하여, 고유한 액-액 상분리(LLPS) 특성을 지닌 단백질 응축체를 설계하였습니다. 이를 통해 세균 세포질 내에서 특정 효소를 한 곳에 집중시킬 수 있으며, 인공적인 세포 구획 형성을 가능하게 하였습니다.
- E. coli에서 대사 흐름 조절을 위한 단백질 설계: 연구진은 E. coli를 모델 시스템으로 활용하여, 새로운 디블록 단백질(Diblock Protein)을 설계하고, 특정 대사 경로의 효소들을 해당 단백질 응축체 내로 유도하였습니다. 이를 통해 인공적인 미세환경을 조성하고, 대사 효율을 높이는 것이 가능함을 입증하였습니다.
- 휴먼 밀크 올리고당(HMO) 생합성에서의 응용: 연구진은 이러한 MLO 시스템이 인간 유래 올리고당(Human Milk Oligosaccharide, HMO)인 Lacto-N-tetraose (LNT), Lacto-N-neotetraose (LNnT), 3'-Sialyllactose (3'-SL) 등의 합성에 활용될 수 있음을 입증하였습니다. 특정 효소들을 인공 응축체 내에서 조직화함으로써 대사 흐름을 최적화하고 생산성을 증가시킬 수 있음을 실험적으로 확인하였습니다.
- 합성 생물학 및 산업적 활용 가능성: 본 연구는 세균 세포 내에서 특정 단백질 응축체를 형성하여 대사 과정을 조절하는 새로운 전략을 제시하며, 향후 합성 생물학, 대사공학, 생물 촉매 공정 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 가능성을 보여줍니다. 특히, 세포 내 공간을 효율적으로 활용하여 목표 물질의 생산성을 극대화할 수 있다는 점에서 산업적 응용이 기대됩니다.