大腸菌における膜なしコンパートメントの形成と機能化

Formation and functionalization of membraneless compartments in Escherichia coli.

• Shao-Peng Wei
• Zhi-Gang Qian
• Chun-Fei Hu
• Fang Pan
• Meng-Ting Chen
• Sang Yup Lee
• Xiao-Xia Xia

抄録

真核生物では、タンパク質や核酸が液相-液相分離して形成された膜状の小器官が多様な生物学的プロセスに関与している。しかし、原核生物では、このような細胞内コンパートメントはまだ発見されておらず、合成的に作られたものはありません。本研究では、原核生物である大腸菌の細胞内に、クモの糸やレシリンのような本質的に乱れたタンパク質を異種発現させることで、液体タンパク質の凝縮体が形成されることを報告している。大腸菌の細胞内の生理的混雑環境を模擬した条件でin vitro再構成を行ったところ、凝縮物が液-液相分離を介して形成されることを明らかにした。また、カーゴタンパク質を標的としたコロケーションにより、これらの凝縮物を機能化し、蛍光を発し、生化学反応を触媒することができる機能的な膜なしコンパートメントを形成することも明らかにした。このような機能性膜なしコンパートメントの形成と機能化は、原核生物においてオンデマンドな機能を持つ人工小器官を開発するための汎用的なツールとして、合成生物学への応用が期待されています。

Membraneless organelles formed by liquid-liquid phase separation of proteins or nucleic acids are involved in diverse biological processes in eukaryotes. However, such cellular compartments have yet to be discovered or created synthetically in prokaryotes. Here, we report the formation of liquid protein condensates inside the cells of prokaryotic Escherichia coli upon heterologous overexpression of intrinsically disordered proteins such as spider silk and resilin. In vitro reconstitution under conditions that mimic intracellular physiologically crowding environments of E. coli revealed that the condensates are formed via liquid-liquid phase separation. We also show functionalization of these condensates via targeted colocalization of cargo proteins to create functional membraneless compartments able to fluoresce and to catalyze biochemical reactions. The ability to form and functionalize membraneless compartments may serve as a versatile tool to develop artificial organelles with on-demand functions in prokaryotes for applications in synthetic biology.