生物大分子凝聚物（BMCs）在基因轉錄、細胞分裂等重要生物過程中發揮著關鍵作用。然而，其異常形成與多種疾病的發生密切相關，臨床上迫切需要有效的診斷和治療手段。此外，目前對BMCs的構造和調控機制的理解仍顯不足，亟待深入研究和探索。
近日，由中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所副研究員趙維和香港浸會大學曾祥澤教授領銜的研究團隊，在Journal of Biological Chemistry發表綜述文章，題為《Recent Advances in the Synthesis and Application of Biomolecular Condensates》。該研究揭示了BMCs構造的基本原則、調控方法（包括光控制、化學和酶控制、溫度控制及pH控制），以及BMCs在染色體結構、神經退行性疾病和生物制造等領域的廣泛應用潛力。通過對BMCs構造機制的深入分析，該研究為合成生物學的發展提供了新的視角，推動了相關領域的進一步探索。
文章上線截圖
生物大分子凝聚物（BMCs）是一類動態有序的生物物理學系統，參與基因轉錄、染色體組織、細胞分裂、腫瘤發生和衰老等生物過程，受到多種內外因素的精密調控。最近，利用合成生物學方法對BMCs進行從頭合成，不僅為解析天然BMCs的構造規律提供了機會，而且，這些合成的BMCs（SBMCs）通過相分離調控，巧妙地模擬了天然BMCs的自組裝和動態過程，在染色體結構、神經退行性疾病、生物制造等研究領域中展現了巨大的潛力。文章從以下幾方面綜述了國內外的最新研究進展。
一、BMCs構造的基本原則：探討了相分離中的多價相互作用在驅動蛋白相分離中的關鍵作用，如多價基序、多價交互作用以及序列特征等。這些特征使蛋白能夠形成動態、可逆轉的BMCs，發揮細胞中重要的生理功能。
圖1. 多價相互作用驅動的相分離示意圖
二、調控方法：介紹了光控制、化學和酶控制、溫度控制以及pH控制等多種方法用于實現SBMCs的精確調控。這些方法使研究人員能夠精準地操作和調節BMCs的組裝和解聚過程。
圖2. 光控相分離示意圖
三、應用領域：展示了SBMCs在染色體結構研究、神經退行性疾病分析、生物制造研究、人工細胞設計和藥物傳遞等領域的廣泛應用。這些應用為深入了解生物學過程、疾病發生機制以及生物醫學領域的創新提供了重要平臺。
SBMCs在染色體結構研究中的應用：染色體的組織對基因表達和穩定性至關重要。Polycomb suppressicomplex 1（PRC1）是一種染色質修飾復合物，參與維持染色質的抑制狀態。Clifford Brangwynne團隊通過Corelets系統設計了一種光激活的多組分PRC1凝聚物，闡明了PRC1在染色質致密化中的機制。這項研究為染色體結構研究提供了理想的實驗平臺。
SBMCs在神經退行性疾病分析中的應用：研究顯示，神經退行性疾病（如肌萎縮側索硬化癥）的病理表現多以TDP-43蛋白病變積累為特征，為了了解TDP-43積聚的機制，Christopher Donnelly使用optoDroplets系統精確控制TDP-43凝聚體的形成，揭示了其在病理特征中的重要機制。
SBMCs在生物制造中的應用：在生物催化系統中，BMCs可以精確控制反應環境。Jiang Xia團隊開發的多酶SBMC促進了天然化合物α-法尼烯的合成，提升了反應效率和產物純度。此外，Xiaoxia Xia團隊利用蜘蛛絲蛋白合成了1,3-二氨基丙烷，展示了SBMC在生物制造中的潛力。
這些研究表明SBMCs在生物科學和工程領域的廣泛應用前景。
圖3. SBMCs在生物技術、生物醫學和生物制造中的應用
這些最新研究成果為我們揭示了生物大分子凝聚體的奧秘，為合成生物學領域的發展提供了新的視角和方法。這些創新將進一步推動生命科學領域的發展，為未來的科學研究和醫學應用帶來更多可能性。
中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所副研究員趙維為本文的通訊作者，香港浸會大學曾祥澤教授為本文的共同通訊作者，中國科學院深圳先進技術研究院團隊學生李忠悅為文章的第一作者。本工作獲得了國家科技部重點研發計劃、中國科學院戰略重點研究項目、國家自然科學基金等多個項目以及深圳合成生物學創新研究院的支持。
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