西湖大学曾安平团队发现新型相分离蛋白，为人工生物凝聚体设计开辟新路径
生物大分子相分离（Phase Separation）被认为是细胞实现区室化的核心机制之一，并且在细胞中参与基因表达、代谢调控和信号传导等关键生命活动。因此该领域成为近年来备受瞩目的研究方向之一。与此同时，一些具有相分离特性的天然（或人工合成的）蛋白质被发现，并被用于人工细胞区室的设计和构建，从而赋予细胞全新的生理功能。
现有的相分离蛋白质的研究大多聚焦于天然无序蛋白（IDPs），这类蛋白虽设计简便，却存在两大瓶颈：
1. 正交性不足：IDPs的分子之间组装模式相似，容易与细胞内的天然无膜细胞器发生“串扰”，甚至干扰细胞正常的细胞活动，产生细胞毒性；
2. 调控手段有限：由于蛋白质无序结构具有天然的“难成药性”，因此用小分子直接调控IDPs的相分离行为具有巨大困难，这阻碍了其在人工凝聚体中的应用。
如何找到兼具分子正交性和化学可调性的新型蛋白“积木”，成为人工生物凝聚体构建中亟待突破的难题。
【SynBioCon】获悉，2025年3月12日，西湖大学曾安平教授团队在国际期刊《自然·通讯》（Nature Communications）发表题为“A globular protein exhibits rare phase behavior and forms chemically regulated orthogonal condensates in cells”的研究论文。该研究报道了来自大肠杆菌的球状蛋白：硫辛酸蛋白连接酶A（LpIA），其具有独特的体内外相分离特性和特异性小分子调控的特性，为人工生物凝聚体设计提供了全新工具。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57886-4
01
罕见的LCST型相分离：温度升高竟能“成胶”？
通常来说，蛋白质是一种容易发生热变性的物质，因此蛋白质样品/制剂通常在低温下保存，以防止其不可逆的损伤。该研究团队在一次实验中偶然发现，LplA蛋白溶液在离开低温环境后变得浑浊，进一步加热到室温后，蛋白溶液迅速转变成白色凝胶状（图1）。不同于常见的蛋白质热变性导致的不可逆相变（如鸡蛋受热凝固），LplA凝胶在置于低温下能够重新转变为澄清的溶液状态。这一不寻常的现象立刻引起了研究团队的注意。 研究人员进一步发现，LpIA的温敏型可逆相变属于“LCST型”相变（LCST: Lower Critical Solution Temperature，低临界溶解温度），此类相变在蛋白质中非常罕见。同时，LplA的相变行为受溶液环境pH、盐浓度等条件影响，这暗示着分子间静电相互作用在LplA分子组装和相变中发挥重要作用。研究人员还利用同步辐射X光小角散射（SAXS）对LplA的相变过程进行了表征，发现了LplA寡聚体在10~50 nm尺度上具有规律的组装结构（图1），这表明LplA通过类似“搭砖块”的独特方式组装并在纳米水平上形成凝胶网络（类似于自组装纳米材料），而非蛋白质热变性所形成的凝胶结构。 图 1. 来自大肠杆菌的LplA在体外发生凝胶化相变
02
跨界应用：从大肠杆菌到人类细胞的“通用积木
令研究团队振奋的是，LplA的相分离特性不仅限于体外环境，在细菌以及人类细胞中，LplA同样展现出其稳健的相分离特性。在大肠杆菌中，使用荧光蛋白标记的LplA能够在细胞两极形成点状凝聚体。在人类U2OS细胞系中，LplA同样能够形成凝聚体。并且免疫荧光成像表明LplA凝聚体在空间上独立于其他细胞内源的细胞区室（包括有膜和无膜细胞器）。这种跨物种的正交性和兼容性，使LpIA成为构建人工无膜细胞区室的理想候选。
此外，LplA凝聚体在动态属性上接近“凝胶”和“类固体”，因此理论上可以更严密地包裹其他功能分子（蛋白质或核酸），实现更低的胞质内泄露，这一特性对于时空控制基因表达等应用尤为重要，详见曾安平团队同期另一项工作（Wang er al. Nat. Chem. Biol. 2025. https://doi.org/10.1038/s41589-025-01860-0）。
图 2. LplA在大肠杆菌以及人U2OS细胞中形成凝聚体
03
分子机制揭秘：静电与疏水的“双剑合璧”
在此前的认知中，具有相分离能力的蛋白质大多具有一个相似的特征：他们的分子结构呈松散的长链状。与很多化学合成高分子相似，这种结构特性使得其分子间能够形成密集、动态的非共价相互作用，这是其发生相分离的分子基础。然而西湖大学研究团队注意到，LplA是一个折叠良好的球状蛋白，这与此前被大量研究的无序结构蛋白（IDPs）具有明显不同。
因此他们意识到，LplA相分离的背后存在一种全新的分子机理。研究人员基于LplA的晶体学结构，对分子表面的氨基酸残基进行了点突变筛选，最终确定了主导相分离的两个关键相互作用界面。这些界面上的静电相互作用和疏水作用共同支持了LpIA寡聚结构的特异性。
图 3. LplA分子自组装的两种主要相互作用界面解析
04
小分子精准调控：“溶解开关”竟是天然底物
传统的IDPs相分离蛋白由于其结构的不确定性，难以开发小分子结合位点。相比之下，折叠蛋白质则更容易被小分子结合和调控，因此研究团队希望探究LplA的相分离是否可以被小分子调控。
不出所料，LplA的天然底物硫辛酸（Lipoic Acid）和结构类似物硫辛酰胺（Lipoamide）可快速溶解LpIA凝聚体（图4）。通过等温滴定量热（ITC）测试，这两种小分子与LplA具有结合，并且对LplA蛋白上硫辛酸结合位点的突变使得其小分子响应性丧失。硫辛酸在临床上已被证明是一种安全的小分子，因此这一发现为人工细胞区室提供了高效、安全的化学调控工具，极具转化潜力。
图 4. LplA凝聚体能够特异性地响应天然底物小分子硫辛酸而在细胞中溶解
结语
从偶然到必然，探索永不止步
“LpIA的相变行为是实验中的意外发现”，论文通讯作者曾安平教授表示，“这提醒我们，科学探索中应保持对‘异常现象’的敏感。许多颠覆性突破，或许正藏在被忽视的细节里。” 曾安平团队的研究不仅发现了一类新型相变蛋白，更揭示了球状蛋白相行为的多样性和可设计性。研究团队还指出，自然界的蛋白质“宇宙”中，可能隐藏着大量未被发现的相变蛋白。通过系统筛选天然蛋白库，或将开启生物分子凝聚体研究的“黄金时代”。未来，团队计划进一步解析LpIA的相变动力学，并开发其在疾病治疗和合成生物学中的具体应用。 本项研究由西湖大学曾安平团队合作完成，相关工作得到国家重点研发计划项目、西湖大学合成生物学与生物智造中心、全省智能低碳生物合成重点实验室、西湖大学教育基金等支持。 参考信息：本文素材和图片来自公众号：合成与工程生物学，本平台发布仅为了传达一种不同观点，不代表对该观点赞同或支持。如果有任何问题，请联系 15356747796。
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