光控生物分子凝聚体：动态调控天然产物合成的新纪元

什么是光控生物分子凝聚体技术？

   光控生物分子凝聚体技术是一种通过光诱导蛋白酶系统对人工构建的蛋白质凝聚体物理状态进行精确调控的创新方法。该技术利用蓝光激活烟草蚀纹病毒蛋白酶（Tobacco Etch Virus Protease, TEV protease），在特定位置剪切天然无序蛋白结构域（IDPs），从而实现凝聚体从固态到液态的可逆转变。这种动态调控能力有效解决了传统凝聚体在发酵过程中逐渐固化的难题，为高效合成天然产物提供了新策略。

   

TEV蛋白酶在这一技术中如何发挥作用？

  TEV蛋白酶是一种高度特异性的蛋白酶，能够识别并剪切特定氨基酸序列（如ENLYFQ↓S）。在该技术中，研究人员在人工设计的凝聚体蛋白RGG-(WGR-1)n中嵌入了TEV蛋白酶的识别位点。通过蓝光诱导表达TEV蛋白酶，使其在特定时间点对蛋白结构进行剪切，从而降低蛋白的多价性和局部浓度，逆转凝聚体的固化过程。这一剪切作用能够恢复凝聚体的流动性，增强底物和酶的扩散效率，最终显著提升代谢产物的合成能力。

   

为什么需要动态调控凝聚体的相态？

  
生物分子凝聚体在合成生物学中可通过液-液相分离（LLPS）形成无膜细胞器，富集代谢酶和底物，从而提高反应效率。然而，在长时间发酵过程中，凝聚体往往会逐渐由液态转变为固态，引发一系列问题：

扩散受限：固态凝聚体会阻碍底物和产物的自由扩散，降低反应速率；

酶活性损失：固化结构可能导致酶失活或稳定性下降；

细胞毒性：固态聚集物可能诱发细胞应激反应，干扰代谢稳态。

动态调控相态能够维持凝聚体的液态特性，确保其在发酵全过程中持续高效运作。

  

这项技术如何提升天然产物的合成效率？

  
该技术被应用于酿酒酵母中合成高附加值天然产物角鲨烯和熊果酸，主要通过以下机制提升合成效率：

酶的空间富集：将合成途径中的关键酶（如ERG20和IDI1）招募至光控凝聚体中，提高局部浓度以加速反应；

动态相态调控：在发酵24小时和48小时时通过蓝光诱导TEV蛋白酶表达，剪切凝聚体蛋白以维持其流动性；

持续代谢促进：液态凝聚体有利于底物传递和酶促反应的持续进行，避免因固化引起的效率下降。

实验结果表明，角鲨烯和熊果酸的产量分别提高了32.4%和46.4%，验证了该技术的有效性。

  

光控系统有哪些独特优势？

  
光控系统具有以下几方面优势：

高时空精度：蓝光照射可精确控制TEV蛋白酶的表达时机和强度，实现按需调控；

低背景干扰：所采用的OptoQ-AMP系统来源于真菌奎尼酸代谢途径，在酿酒酵母中泄漏表达低，兼容性良好；

可编程性：通过调整光照时间与频率，可灵活调节凝聚体相态，适应不同发酵阶段需求；

生物相容性：蓝光对细胞生长及代谢影响极小，不会干扰正常生理功能。

  

这项技术的应用前景如何？

   

光控生物分子凝聚体技术具有广泛的应用潜力：

合成生物学：可用于优化多种天然产物（如萜类、黄酮类化合物）的生物合成途径，提高产量与稳定性；

医学研究：为神经退行性疾病中蛋白质异常聚集机制的研究提供新工具，例如模拟α-突触核蛋白或Tau蛋白的液固相变过程；

工业生物技术：结合智能感应系统（如底物浓度或pH响应模块），构建全自动调控的细胞工厂；

跨学科融合：为材料科学与生物医学工程中可控相变材料的设计提供新思路。

  

结语

光控生物分子凝聚体技术通过TEV蛋白酶的光诱导精准剪切，实现了对蛋白质凝聚体相态的可编程动态调控，有效克服了发酵过程中凝聚体固化的瓶颈问题。该技术不仅显著提高了天然产物的合成效率，也为合成生物学和代谢工程领域提供了创新性的方法支持。随着技术的不断优化与应用范围的拓展，光控凝聚体调控策略有望在多个科学与工业领域发挥重要作用。