近期，天津大学化工学院仰大勇教授（点击查看介绍）课题组在国际合成生物学领域知名期刊ACS Synthetic Biology 上发表关于镁离子对冻干无细胞蛋白合成系统保护作用的研究，发现了镁离子（Mg²⁺）对于防止无细胞蛋白合成（CFPS）系统在冻干过程中失活至关重要，提出了Mg²⁺对复杂的蛋白合成过程的调控作用和防止冻干CFPS系统失活的机制。天津大学化工学院博士研究生郭小翠为第一作者。相关成果已申请中国发明专利。研究得到国家自然科学基金的资助支持。

CFPS是一种简化可控的体外合成技术，为合成生物学、蛋白质工程和探究生命运行机制提供了重要的研究平台。CFPS系统由细胞裂解液（包括与转录翻译相关酶分子和作用因子）、补充缓冲液（包括底物分子、辅因子和能量物质等）和基因组成。冻干的CFPS系统能够常温储存，为快速检测和蛋白药物的便携式按需生产提供了可能。然而，冻干过程往往会对酶分子的构象造成损伤，使得CFPS系统的活性不可避免地降低，甚至失活。Mg²⁺作为细胞中含量最丰富的二价阳离子，几乎参与蛋白合成的每一步反应，并且研究表明，Mg²⁺通过调节Mg²⁺依赖性酶分子的构象调控酶分子的活性。CFPS系统的正常运行同样需要Mg²⁺的参与，且通常需要对系统中Mg²⁺浓度进行优化。因此，Mg²⁺作为参与酶分子构象调节的离子，对冻干的CFPS系统的活性具有重要的调节作用。

仰大勇教授课题组发现Mg²⁺是防止冻干CFPS系统失活的关键离子。研究发现，对不含Mg²⁺的CFPS系统进行冻干处理会导致CFPS系统完全失活，在冻干前加入Mg²⁺对于防止CFPS系统失活至关重要。研究表明，Mg²⁺主要是通过参与调节酶分子与底物分子（核苷酸和氨基酸）之间的相互作用防止CFPS系统在冻干过程中的失活。通过对含有不同浓度Mg²⁺的CFPS系统进行冻干处理，发现Mg²⁺不仅可以防止系统失活，还可以在系统再次水化后激活蛋白表达，表明Mg²⁺在CFPS系统中具有两种作用：变构作用和催化作用。作者提出了CFPS系统的两种Mg²⁺调控作用：Mg²⁺（I）与酶分子的变构调节位点结合，诱导酶分子形成正确的构象，促进底物分子以正确的方向与酶分子结合，进而有效防止了酶分子直接与底物分子结合形成构象错误的酶-底物复合物。Mg²⁺（II）起催化作用，激活并参与CFPS系统的催化反应。

图1. CFPS系统的两个Mg²⁺的调控作用。A) 当在冻干前加入Mg²⁺时，Mg²⁺（I）与酶分子的变构调节位点结合，诱导酶分子形成正确的构象，促进底物分子以正确的方向与酶分子结合；Mg²⁺（II）与催化位点结合，形成具有活性的酶-Mg²⁺-底物-Mg²⁺复合物，该复合物在冻干过程中被“锁定”，使得CFPS系统再次水化后仍具有活性。B) 当冻干前不添加Mg²⁺时，CFPS系统中的底物分子以错误的方向与酶分子结合，形成无活性的酶-底物复合物。无活性的复合物在冻干处理时被“锁定”，即使在CFPS系统再次水化后添加Mg²⁺，也无法激活无活性的酶-底物复合物，导致CFPS系统失活。

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The Protection Role of Magnesium Ions on Coupled Transcription and Translation in Lyophilized Cell-Free System

Xiaocui Guo, Yi Zhu, Lihui Bai, Dayong Yang*

ACS Synth. Biol., 2020, 9, 856-863, DOI: 10.1021/acssynbio.9b00508

导师介绍

仰大勇

https://www.x-mol.com/university/faculty/48490