有氧条件下铁硫蛋白的一锅合成！

S簇是Fe-S蛋白质的一部分，存在于所有生命形式中。它们作为生物辅助因子--协助这些蛋白质进行不同生化转化的辅助分子--在呼吸和新陈代谢中发挥着重要作用。
然而，尽管成熟的 Fe-S 蛋白普遍存在，在细胞外合成它们却被证明是一项挑战。它们不仅需要复杂的细胞机制来合成，而且在与氧气接触时很容易降解，因为氧气会与它们的 Fe-S 簇发生反应。
鉴于此，近期由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等人组成的研究小组开发出了一种生产成熟[4Fe-4S]蛋白质的新方案，其中Fe-S簇被置于立方体结构中。
研究小组设计了一种专门的Fe-S组装蛋白系统途径，由于存在氧气清除系统，该途径可在无氧环境下运行，从而提供成熟的Fe-S蛋白。论文发表在《ACS 合成生物学》（ACS Synthetic Biology）杂志上。
图1：SUF途径的示意图
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]簇的所有必要机制。与其他具有类似功能的途径（如固氮和铁硫簇系统）相比，它对氧气的耐受性更高。研究小组创建了一种重组 SUF 途径，它由六个蛋白质亚基组成，能够在无细胞环境中发挥作用。
图2：使用 SUF 系统重建厌氧 [4Fe-4S] 簇
为了维持试管内的无氧环境，研究人员随后引入了一个三酶级联（一组按顺序发生的三个酶反应），作为氧气清除系统。这种清除系统在清除环境中的氧气的同时，还提高了系统的效率。它通过产生还原型黄素腺嘌呤二核苷酸（FADH2）来实现这一目的，FADH2 是 SUF 系统合成 Fe-S 簇所需的电子载体。
最后，为了合成载脂蛋白，研究小组采用了一种专门的无细胞方法，即利用被称为 PURE 系统的重组无细胞蛋白质合成法，在体外生产蛋白质。加入遗传物质（DNA 或 mRNA）和必要的能量来源后，PURE 系统基本上就成了一个人造蛋白质工厂。
因此，研究人员将 PURE 系统、O2 清除酶级联和 SUF 途径的组成部分结合在一个试管中，进行了一次锅式无细胞合成两种代表性[4Fe-4S]蛋白质，乌头酶和嗜热铁毒素。
图3：在有氧条件下一锅法从头合成成熟的 [4Fe-4S] 蛋白质
这项研究制定的方案对科学界具有重大意义。研究人员为合成成熟的 Fe-S 蛋白创造了一种新颖便捷的方法，不再需要笨重的手套箱。该方案克服了[4Fe-4S]簇组装和对氧气敏感的传统难题，这些难题一直是合成生物学和厌氧酶学领域的主要障碍。
通过大大扩展 PURE 系统的能力，研究人员提出的策略可以开发出新的生物技术，让人们更好地了解蛋白质合成和组装的基本原理。
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有助于科学家复制其他类型的多蛋白途径，如固氮（NIF）和铁硫簇（ISC）途径，以合成其他含金属辅助因子的酶。这反过来又可能导致新的生物催化剂和合成细胞的开发，并有可能应用于环境修复、能源生产、医学和天体生物学。
参考文献
Po-Hsiang Wang et al, One-Pot De Novo Synthesis of [4Fe-4S] Proteins Using a Recombinant SUF System under Aerobic Conditions, ACS Synthetic Biology (2023). DOI: 10.1021/acssynbio.3c00155。