Balancing Protein Expression and Minicell Yield in E. coliNissle 1917 via RBS Engineering
本研究表明，通过工程化改造大肠杆菌 Nissle 1917 微小细胞（minicells）中的核糖体结合位点（RBS）强度，可以实现重组蛋白表达水平与微小细胞产量之间的精确平衡，并揭示了虽然高表达会因代谢负担而降低产量，但微小细胞能为维持蛋白质溶解度提供更优越的环境。
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在医学领域，科学家们一直在寻找微小的递送载体，能够将药物直接运送到病变细胞而不伤害健康细胞。虽然合成纳米颗粒一直是研究重点，但它们往往面临着与人体兼容性差或制造过程复杂等问题。然而，大自然已经构建了一个精密的解决方案：细菌小细胞（minicells）。它们并非完整的细菌，而是由杆状细菌在细胞分裂过程中从末端脱落的小型泡状囊泡。由于它们缺乏能让细菌繁殖并引起感染的主要遗传物质，因此是安全的。然而，它们保留了生产蛋白质所需的内部机制，使其成为包装治疗分子的理想工厂。研究人员面临的挑战在于，如何弄清楚如何向这些微小的气泡中装载足够有用的蛋白质，以确保其有效性，同时又不会过度加重母体细菌的负担，导致其停止产生小细胞。
来自西安国际医学中心医院和西安交通大学第一附属医院的一个研究小组，致力于利用一种特定的、广为人知的益生菌——埃希氏大肠杆菌（Escherichia coli）Nissle 1917，来解决这一平衡难题。他们的目标是了解细菌产生的蛋白质数量如何影响其产生小细胞的能力。为此，他们首先创造了一种特殊的这种细菌版本，通过移除一组通常会阻止细菌脱落这些微小囊泡的特定基因，使该细菌能够自然地产生小细胞。随后，他们在这些细菌中引入了一种无害的模型蛋白，即一种在研究中常用的发光绿色蛋白。他们实验的关键不仅在于添加蛋白质，还在于仔细调整细菌读取该蛋白质的“指令”。他们将用于生产该蛋白质的天然起始信号替换成了两种不同的、更强或更弱的信号，即核糖体结合位点（ribosome-binding sites）。可以将这些信号想象成收音机上的音量旋钮；一个设置可能声音很大，另一个则很小，这使得科学家能够精确控制细菌产生的蛋白质数量，而无需改变其余的遗传代码。
结果揭示了一个明显的权衡关系。当科学家们调高“音量”以让细菌产生大量的发光蛋白时，细菌产生的小细胞数量显著减少。这表明，制造过多的蛋白质会产生沉重的细胞工作量，导致细胞剩余的资源不足以进行分裂并创建微小的递送囊泡。相反，当蛋白质产量被调低时，细菌会产生更多的小细胞。然而，故事并未止步于数量与质量之间的简单选择。研究人员发现，关于小细胞内部环境有一个令人惊讶的发现。虽然那些制造最多蛋白质的细菌难以保持该蛋白质处于可用的、溶解状态，但由这些相同细菌产生的小细胞却非常擅长保持蛋白质的可溶性和功能性。事实上，即使在细菌大量生产蛋白质的情况下，小细胞也比母体细菌更能提供一个让蛋白质正确折叠的环境。
这一发现表明，小细胞的内部空间在保持复杂蛋白质不发生聚集方面具有独特的优势。研究显示，蛋白质生产的层级关系保持一致：制造最多蛋白质的细菌仍然会将最多的蛋白质放入其小细胞中，但随着蛋白质负荷的增加，小细胞的总数会下降。这意味着，仅仅试图强迫细菌尽可能多地制造蛋白质，并不是创建药物递送系统的最佳策略。相反，研究人员证明，通过仔细调节遗传指令，可以找到一个“甜点区”（sweet spot），使细菌保持足够的健康度以产生足够数量的小细胞，同时又能向每个小细胞中装载足够的蛋白质以确保其有效。这种方法为设计这些生物纳米载体提供了一种理性的途径，确保它们既充足，又装载了足够的治疗性货物，以用于未来的医疗应用。
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