空間約束mRNA翻譯實現合成細胞膜蛋白高效原位整合 | 進展

細胞是一種遠離平衡的自組織系統，在膜邊界的約束下持續進行能量與物質交換。從生物大分子出發構建單細胞生命，長期被視為科學界最具挑戰性的目標之一。實現合成細胞的關鍵挑戰在于重建膜相關功能，如選擇性物質運輸、跨膜能量轉換與信號傳遞等，這些過程高度依賴細胞膜上正確折疊并穩定整合的膜蛋白。然而，膜蛋白通常含有多個疏水跨膜片段，在水相環境中易發生聚集、錯折疊，尤其在缺乏轉位酶等輔助因子的情況下，其功能化整合效率極低，嚴重制約了合成細胞的功能復雜度與穩定性。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心軟物質物理實驗室SM4課題組長期致力于單分子核酸動態結構與生物界面物理研究。近期，該課題組在合成細胞中膜蛋白的原位合成與整合方面取得重要突破。研究團隊以巨型單層脂質囊泡為合成細胞模型，借鑒天然細胞中“翻譯—插入”協同機制，在國際上首次提出并實現了“膜近端空間約束mRNA翻譯”新策略：通過將mRNA精準錨定于脂質膜表面，引導核糖體在膜附近富集，驅動疏水跨膜結構在翻譯過程中直接插入脂質雙層，從而顯著提升膜蛋白的合成與功能整合效率。

該方法的創新之處在于，研究團隊在目標膜蛋白mRNA的3′非翻譯區（3′-UTR）嵌入一段特異性識別標簽，并結合膽固醇修飾的單鏈DNA（chol-ssDNA）作為膜錨定元件。膽固醇基團自發嵌入囊泡膜，chol-ssDNA則穩定錨定于膜表面；當mRNA被轉錄并攜帶標簽序列后，即可與膜上的chol-ssDNA通過雜交實現定位。該設計使得翻譯過程被限制在膜表面納米尺度范圍內，新生肽鏈的疏水區域在離開核糖體后即可被附近的脂質雙層快速捕獲，從而避免在水相中聚集與錯誤折疊，大幅提高功能性膜蛋白的整合成功率。

實驗結果表明，該系統可使多種跨膜蛋白在GUV膜上的整合效率提升約一個數量級，并成功實現如選擇性小分子運輸等功能驗證。更為重要的是，該方法支持通過調節不同mRNA的膜錨定比例，實現膜蛋白組成的化學計量比精確調控，為構建具備可編程膜功能的合成細胞奠定了基礎。該平臺無需改造蛋白序列或核糖體，與現有無細胞表達系統完全兼容，具有高度的通用性與可擴展性。

圖：膜蛋白合成的三種模式：(i) 在水相溶液中，疏水性膜蛋白在翻譯后易發生錯誤折疊并聚集；(ii) 在細胞內，膜蛋白的翻譯與插入通過SRP通路實現共翻譯介導；(iii) 本研究提出的mRNA膜近端翻譯策略。

此項研究的共同第一作者包括中國科學院物理研究所的博士后付航與馬利娟，通訊作者為李明研究員與陸穎研究員。該工作得到了中國科學院戰略性先導科技專項（XDB0480000）、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、科技部及中國博士后科學基金等項目的支持。相關成果發表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上，標題為“Spatially regulated mRNA translation enables functional membrane protein integration in synthetic cells”。

編輯：楊樂多