《Nature Communications》：Engineering non-exponential proliferation in Escherichia coli using functionalized protein aggregates
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微生物，尤其是基因工程微生物，其天然指数级增殖特性在治疗应用等场景中可能带来剂量控制与生物防护的难题。本研究通过设计一种依赖细胞内蛋白质聚集体不对称分配与渐进解聚来重构分裂酶、产生条件必需代谢物cAMP的底盘细菌，成功实现了群体生长动力学从指数模式到有限代次线性模式的根本性重编程，为工程微生物的受控应用提供了新思路。
在合成生物学与微生物疗法的广阔天地中，科学家们如同精密的工程师，对微生物这一“生命机器”进行着前所未有的改造。然而，一个与生俱来的“天性”却构成了巨大挑战：微生物天然的指数级生长能力。想象一下，如果我们将一批经过精心设计、用于治疗疾病的“细菌医生”送入人体，它们却像在培养皿中一样不受控制地疯狂分裂复制，其后果将难以预测。这不仅会给精准给药带来巨大困难，更可能引发意想不到的安全风险，即生物防护难题。因此，如何为这些工程微生物装上“安全阀”和“计数器”，从根本上重编程它们的群体生长模式，使其从狂野的指数增长转变为可控、可预测的线性增殖，成为了该领域亟待攻克的关键科学问题。
近期，一项发表在《Nature Communications》上的研究为此提供了极具创见的解决方案。研究团队不再依赖于外部持续的化学或物理干预来抑制生长，而是转向微生物内部，巧妙利用细胞自身的“遗产分配”机制，构建了一种能够自主实现有限代次线性增殖的细菌底盘。他们的核心思路是：设计一种功能性的细胞内蛋白质聚集体，该聚集体被工程化用以重构一个分裂的酶，这个酶能够生产一种条件必需的代谢物——环磷酸腺苷。由于该蛋白质聚集体在细胞分裂时会进行不对称分配，并且会随着时间推移逐渐解聚，它就像一个内在的“增殖计时器”或“燃料包”，只允许继承到聚集体的子代细胞继续生长，并且这种生长潜力会随着聚集体在有限代次的分裂中被稀释和消耗而线性衰减。这种方法为工程微生物的受控应用开辟了全新途径。
研究人员主要运用了合成生物学、蛋白质工程与微生物遗传学等关键技术方法。他们通过基因线路设计构建了依赖cAMP的工程化大肠杆菌底盘；利用蛋白质工程技术创建了能够进行不对称分配并逐步解聚的功能性蛋白质聚集体；并设计了基于分裂酶重构的遗传回路，将聚集体的存在与cAMP这一条件必需代谢物的生产相耦合，从而将物理性的聚集体转化为了调控生长的“遗传程序”。
研究结果
- 1.
构建依赖cAMP的工程化大肠杆菌生长底盘：研究人员首先构建了一个大肠杆菌菌株，其生长所必需的碳源代谢途径被改造为依赖于外源添加的cAMP。当培养基中缺乏cAMP时，该菌株的生长被严格抑制，从而建立了一个条件性生长的遗传背景。
- 2.
设计与表征功能性蛋白质聚集体：团队设计并表达了一种能够自发形成细胞内聚集体的融合蛋白。该聚集体被赋予了两个关键特性：一是在细胞分裂时倾向于不对称地分配给其中一个子细胞；二是在细胞内环境作用下能够随时间发生渐进式的解聚。实验证实了该聚集体的形成、不对称分配模式以及随时间减少的动态过程。
- 3.
实现基于分裂酶重构的cAMP体内生产：研究核心在于将上述蛋白质聚集体功能化。他们将一个分裂为两个无活性片段的腺苷酸环化酶分别融合到聚集体组分和可溶性组分上。只有当继承到聚集体的细胞中，聚集体的组分与细胞质中的可溶性组分相遇时，才能重构出有活性的腺苷酸环化酶，从而催化生产cAMP，满足自身生长的代谢需求。
- 4.
表征工程菌株的线性增殖动力学：将上述所有组件整合到依赖cAMP的底盘菌株中后，研究人员获得了最终的工程菌株。生长曲线分析显示，该菌株的群体生长不再呈现典型的指数增长特征，而是在一段时期内表现出近似线性的增长趋势，随后进入生长平台期。这种线性增殖的持续时间（代次数）可以通过调整蛋白质聚集体的稳定性和解聚速率来进行编程。
- 5.
验证增殖限制的遗传性与自主性：通过连续传代实验和单细胞追踪，研究证实了线性增殖表型的可遗传性，且无需任何外部诱导剂或调控信号的持续干预。生长潜力被“编码”在蛋白质聚集体这一物理载体中，并通过细胞分裂自主实现消耗和限制。
结论与讨论
本研究成功开发了一种原创性的策略，通过工程化的细胞内蛋白质聚集体来实现对细菌群体生长动力学的根本性重编程。该策略的核心优势在于其自主性与程序性：它利用蛋白质聚集体的不对称分配和可控解聚这一内源性物理过程，将有限的生长潜能像“遗产”一样在细胞分裂间进行传递和消耗，从而自然实现了从指数增殖到线性增殖的转变。这项工作不仅仅是一个控制生长的新技术，更提供了一个概念框架，展示了如何利用合成生物学原理将细胞内物理过程（如相分离、聚集、不对称分配）转化为可预测的遗传或表型输出程序。它为解决工程微生物在实际应用中面临的剂量控制与生物安全两大核心挑战提供了强有力的新工具。通过将生长限制机制内化于微生物自身，这种“内置式”安全策略有望极大地推动微生物疗法、活体生物药以及需要在开放环境中安全可靠运行的工程微生物应用向前发展。
