Nature子刊：成功合成人造核糖体

　　

生物通报道：核糖体是负责蛋白质合成的重要细胞结构，美国西北大学和哈佛大学的研究人员首次通过模拟天然程序，成功在体外合成了有功能的核糖体。文章于六月二十五日发表在Nature旗下的Molecular Systems Biology杂志上。

在体外人工构建核糖体，一直是合成生物学领域的研究热点。在此之前，人们也尝试了多种合成途径，但结果都不理想。现在，西北大学的Michael C. Jewett和哈佛大学医学院的George M. Church领导研究团队，在天然酶的帮助下，模拟了细胞内的核糖体生成途径，获得了有功能的人造核糖体。

这项研究可以帮助人们进一步理解核糖体的形成和功能，开发更有效靶标核糖体装配的抗生素，设计具有特殊功能的新型核糖体，甚至构建人造细胞。

“我们的方案是一锅法合成（one-pot synthesis），将编码核糖体RNA的基因、天然核糖体蛋白和大肠杆菌E. coli的酶结合在一起，以模拟天然过程的方式构建人造核糖体，”西北大学的助理教授Jewett说。

核糖体由57个元件（三条RNA链和54个蛋白）组成，负责将信使RNA翻译成为蛋白，是细胞的核心细胞器之一。核糖体生产的蛋白在细胞中执行各种各样的功能，决定着细胞的生存和特性。

“我们通过模拟天然过程，合成了人工核糖体，为研究核糖体的合成与装配开辟了一条新途径。这项研究将帮助人们进一步理解和控制翻译过程，”Jewett说。“利用这一技术，人们可以设计并合成改良版的核糖体，为其赋予特殊功能，而这将是合成生物学领域的一大进步。”

这项研究中的合成技术被称为iSAT（integrated synthesis, assembly and translation），研究显示，iSAT技术可以在一次反应中实现核糖体的合成、装配和功能。研究人员用人工合成的核糖体翻译萤光素酶，以此验证了人工核糖体的功能活性。随后他们又向核糖体中引入点突变，给核糖体赋予了克林霉素抗性，展现了iSAT合成改良型核糖体的能力。

“这项研究是实现完全人造核糖体的重要一步，”Jewett说。下一步，研究人员希望人工合成全部57种核糖体元件（包括54种蛋白），并在这些人工元件的基础上构建有功能的核糖体。

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

In vitro integration of ribosomal RNA synthesis, ribosome assembly, and translation

Purely in vitro ribosome synthesis could provide a critical step towards unraveling the systems biology of ribosome biogenesis, constructing minimal cells from defined components, and engineering ribosomes with new functions. Here, as an initial step towards this goal, we report a method for constructing Escherichia coli ribosomes in crude S150 E. coli extracts. While conventional methods for E. coli ribosome reconstitution are non-physiological, our approach attempts to mimic chemical conditions in the cytoplasm, thus permitting several biological processes to occur simultaneously. Specifically, our integrated synthesis, assembly, and translation (iSAT) technology enables one-step co-activation of rRNA transcription, assembly of transcribed rRNA with native ribosomal proteins into functional ribosomes, and synthesis of active protein by these ribosomes in the same compartment. We show that iSAT makes possible the in vitro construction of modified ribosomes by introducing a 23S rRNA mutation that mediates resistance against clindamycin. We anticipate that iSAT will aid studies of ribosome assembly and open new avenues for making ribosomes with altered properties.