克服在手套箱外合成铁硫蛋白的挑战

Fe-S 簇是 Fe-S 蛋白的一部分，存在于所有生命形式中。它们作为生物辅助因子(在不同的生化转化中协助这些蛋白质的辅助分子)发挥着重要作用，参与呼吸和新陈代谢。这些簇引起了人们浓厚的研究兴趣，因为它们被认为是进化的关键部分。它们充当了前生物化学(在生命形式出现之前就存在的化学过程)与我们今天所知的复杂分子和生物系统之间的联系。简而言之，它们可能是导致地球上生命出现的原始催化剂之一。因此，拥有便捷的方法来合成铁硫蛋白将有望增进我们对年轻地球生物学的理解，并帮助我们回答生命起源的终极问题。

然而，尽管它们很普遍，但细胞外成熟 Fe-S 蛋白的合成已被证明具有挑战性。它们不仅需要复杂的细胞机制来合成，而且由于与 Fe-S 簇发生反应，在与氧气接触时很容易降解。因此，科学家们被迫遵循复杂的路线，首先生产和提取不完整的(或“apo”)蛋白质，然后在严格缺氧的条件下使其成熟(添加 Fe-S 辅因子)。但使这一过程变得更加困难的是最终提取物中存在污染性含铁蛋白质。

在最近的一项研究中，包括东京工业大学地球生命科学研究所 (ELSI) 副教授 Kosuke Fujishima 和 Shawn McGlynn 以及国立中央大学助理教授 Po-Hsiang Wang 在内的一组研究人员开发了一种新颖的方案产生成熟的 [4Fe-4S] 蛋白质，其中 Fe-S 簇被放置在立方体状结构内。该团队设计了一种专门的 Fe-S 组装蛋白系统途径，由于存在氧气清除系统来传递成熟的 Fe-S 蛋白，因此该途径可以在无氧环境中发挥作用。

研究人员首先试图组装所谓的硫形成(SUF)系统。在细菌中，这种多蛋白系统包含产生 [4Fe-4S] 簇所需的所有机制。与其他具有类似功能的途径(例如固氮和硫磺簇系统)相比，它对氧具有更高的耐受性。研究小组创建了一个重组 SUF 途径，该途径由六个蛋白质亚基组成，能够在无细胞环境中发挥作用。

为了维持试管内的无氧环境，研究人员随后引入了三酶级联(一组按顺序发生的三个酶反应)作为除氧系统。这种清除系统从环境中去除氧气的同时，也提高了系统的效率。它通过产生还原型黄素腺嘌呤二核苷酸(FADH 2)来实现这一目标，FADH 2 是 SUF 系统合成 Fe-S 簇所需的电子载体。

最后，对于apo蛋白的合成，该团队采用了一种专门的无细胞方法，通过使用被称为PURE系统的重构无细胞蛋白合成，能够在体外生产蛋白质。通过添加遗传物质(DNA 或 mRNA)和必要的能量来源，PURE 系统本质上充当了一个人工蛋白质工厂。

因此，研究人员将 PURE 系统、O 2清除酶级联和 SUF 途径的组件组合在一个管中，以一锅法、无细胞合成两种代表性的 [4Fe-4S] 蛋白质：乌头酸酶和嗜热铁氧还蛋白。共同第一作者博士生 Shota Nishikawa 解释了将拼图碎片拼凑在一起所经历的迭代过程，他评论道：“确定适当的化学计量和底物/辅因子浓度是一项挑战。尽管如此，我们还是进行了彻底的研究。”研究以确定 PURE 系统所需酶的适当比例。”

本研究中制定的方案对科学界具有重大影响。Fujishima 强调说：“我们创造了一种新颖且方便的方法来合成成熟的 Fe-S 蛋白，不再需要笨重的手套箱。” 他声称他们的方案克服了[4Fe-4S]簇组装和O 2敏感性的传统挑战，这些挑战一直是合成生物学和厌氧酶学领域的主要障碍。通过极大扩展 PURE 系统的功能，研究人员提出的策略可以促进新生物技术的发展，并更好地理解蛋白质合成和组装的基础知识。

着眼于未来，研究人员指出，这项工作为即将开展的研究打开了几扇大门。能够实现体外无氧环境可以帮助科学家复制其他类型的多蛋白途径，例如固氮(NIF)和铁硫簇(ISC)途径，以合成其他带有金属辅因子的酶。反过来，这可能会导致新生物催化剂和合成细胞的开发，在环境修复、能源生产、医学和天体生物学方面具有潜在应用。

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