《Microbial Biotechnology》：Assembly and Functional Coordination of Two Families of Metabolic Organelles in Salmonella
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本文系统探讨了沙门氏菌(Salmonella)内源1,2-丙二醇利用(Pdu)细菌微区室(BMC)与合成α-羧酶体(α-CB)的共生机制，通过超分辨率荧光成像和生化分析首次揭示了不同BMC家族通过外壳蛋白交换形成杂交细胞器的规律，为合成生物学设计多功能细胞器提供了重要理论依据。
McdAB介导重组α-羧酶体在沙门氏菌中的分布而不影响天然Pdu BMCs的定位
研究团队成功在鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella enterica serovar Typhimurium LT2)中构建了包含卤硫菌(Halothiobacillus neapolitanus)来源的α-羧酶体(α-CB)基因簇的质粒系统。通过将mCherry荧光蛋白分别融合于CbbL(标记为CargoCB)或CsoS1B(标记为ShellCB)，利用晶格结构光照明显微镜(Lattice SIM)观察发现，在缺乏McdAB定位系统时，α-CBs会聚集在细胞极性区域。而当引入来自H. neapolitanus的McdAB系统后，α-CBs形成了多个离散的荧光焦点，分布模式与天然宿主中相似。值得注意的是，工程化的McdAB系统并未影响内源性Pdu BMCs的亚细胞定位，且ParA和MinD等内源性定位系统也对Pdu BMCs分布无显著影响。
α-CBs与Pdu BMCs通过外壳蛋白交换形成具有移动性改变的杂交BMCs
通过共表达Pdu BMCs和α-CBs及McdAB，研究发现PduE-sfGFP与CsoS1B-mCherry(CargoPDU-ShellCB)、PduA-sfGFP/PduT-eGFP与CbbL-mCherry(ShellPDU-CargoCB)以及外壳蛋白之间均出现共定位现象，表明形成了杂交BMCs。然而，PduE-sfGFP与CbbL-mCherry(CargoPDU-CargoCB)的共定位程度较低，提示不同BMCs的货物酶之间存在有限的互换性。时间推移成像显示，杂交BMCs的移动区域和平均扩散系数介于天然Pdu BMCs和α-CBs之间，表明外壳蛋白组成的改变影响了其细胞内移动特性。
单个BMC外壳蛋白的互换性评估
通过系统评估单个α-CB组分与Pdu BMCs的互换性，发现α-CB的外壳蛋白(CsoS1A、CsoS1B、CsoS1C、CsoS1D)能够整合进Pdu BMCs的外壳中，而α-CB的连接蛋白(CsoS2)和货物蛋白(CbbLS和CsoSCA)则不能。对于五聚体外壳蛋白，研究发现CsoS4A能够替代PduN恢复ΔpduN菌株中Pdu BMCs的正常形态和功能，而CsoS4A和CsoS4B在序列相似性和功能上存在差异，提示不同的五聚体亚型在BMCs形态建成中可能具有专门化作用。
杂交BMCs的体外表征与功能分析
通过分别采用α-CBs和Pdu BMCs的纯化流程，研究成功分离出两类杂交BMCs：杂交BMCs-1(富含α-CB蛋白)和杂交BMCs-2(富含Pdu蛋白)。SDS-PAGE和免疫印迹证实这两类杂交BMCs均含有来自α-CB和Pdu的外壳蛋白组分。电镜观察显示它们均保持了完整的多面体结构，但其直径与酶活性均发生了改变。杂交BMCs-1表现出下降的二氧化碳固定(Rubisco)活性，而杂交BMCs-2的丙二醇脱水酶(PduCDE)活性约为天然Pdu BMCs的一半。值得注意的是，纯化得到的杂交BMCs似乎主要封装了单一类型的货物酶，提示其封装机制具有特异性。
讨论
本研究揭示了在单一细菌细胞内共表达两种不同类型BMCs时，它们能够通过保守的外壳蛋白界面相互作用形成杂交细胞器，但其货物酶的封装在很大程度上仍保持系统特异性。外壳组成的改变会影响BMCs的形态、移动性和酶活性，这突出了外壳-货物相互作用的精确调控对于BMCs功能的重要性。研究结果不仅为理解细菌如何协调多种代谢模块提供了新视角，也为未来设计具有定制代谢功能的人工细胞器和生物工厂提供了重要的理论基础和工程策略。特别是关于外壳蛋白互换性以及五聚体蛋白功能专门化的发现，对合成生物学领域理性设计BMCs具有明确的指导意义。
