S簇是铁- S蛋白的一部分，存在于所有形式的生命中。它们作为生物辅助因子——帮助这些蛋白质进行不同生化转化的辅助分子——在呼吸和代谢中起着重要作用。
这些集群具有浓厚的研究兴趣，因为它们被认为是进化的关键部分。它们是生物前化学(在生命形式出现之前存在的化学过程)与我们今天所知的复杂分子和生物系统之间的纽带。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，有了方便的方法来合成Fe-S蛋白将有望推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最终问题。
然而，尽管它们普遍存在，但在细胞外合成成熟的Fe-S蛋白已被证明是具有挑战性的。它们不仅需要复杂的细胞机制来合成，而且由于其与Fe-S簇的反应，它们与氧接触后很容易降解。
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“载脂蛋白”)蛋白质，然后在严格缺氧的条件下将其成熟(添加Fe-S辅因子)。但使这一过程更加困难的是，最终提取物中含有污染的含铁蛋白质。
一组研究人员，包括来自地球生命科学研究所(ELSI)、东京工业大学的副教授Kosuke Fujishima和Shawn McGlynn，以及国立中央大学的助理教授Po-Hsiang Wang，已经开发出一种新的方案来生产成熟的[4Fe-4S]蛋白质，其中Fe-S簇被放置在一个立方体结构中。
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，该途径将在无氧环境中发挥作用。这篇论文发表在《ACS合成生物学》杂志上。
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，它对氧的耐受性更高。研究小组创造了一种重组SUF途径，该途径由6个蛋白质亚基组成，具有在无细胞环境中发挥作用的能力。
为了在试管内保持无氧环境，研究人员随后引入了一种三酶级联反应(一组按顺序发生的三种酶反应)，作为一种氧气清除系统。当这个清除系统从环境中去除氧气时，它也提高了系统的效率。它通过生成SUF系统合成Fe-S簇所需的电子载流子黄素腺嘌呤二核苷酸(FADH2)来实现这一目标。
最后，对于载脂蛋白的合成，研究小组采用了一种专门的无细胞方法，可以利用reco在体外生产蛋白质建立无细胞蛋白质合成称为PURE系统。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、o2清除酶级联和SUF途径的组成部分结合在一个管中，进行了一锅无细胞合成两种具有代表性的[4Fe-4S]蛋白:乌头酸酶和嗜热性铁氧还蛋白。
共同第一作者博士生Shota Nishikawa解释了将拼图拼凑在一起所经历的迭代过程，他说:“找到合适的化学计量和底物/辅因子浓度是一项挑战。尽管如此，我们还是进行了深入的研究，以确定PURE系统所需的酶的适当比例。”
本研究制定的方案对科学界具有重要意义。Fujishima说:“我们已经创造了一种新的、方便的方法来合成成熟的Fe-S蛋白质，而不再需要一个笨重的手套箱。”他声称，他们的方案克服了传统的[4Fe-4S]簇组装和O2敏感性的挑战，这些挑战一直是合成生物学和厌氧酶学领域的主要障碍。
通过极大地扩展PURE系统的功能，研究人员提出的策略可能会导致新的生物技术的发展，并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，这项工作为即将到来的研究打开了几扇门。能够在体外无氧环境中实现可以帮助科学家复制其他类型的多蛋白质途径，例如固氮(NIF)和diron -硫簇(ISC)途径，以合成其他金属辅因子承载酶。反过来，这可能会导致新的生物催化剂和合成细胞的发展，在环境修复、能源生产、医学和天体生物学方面具有潜在的应用。
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希望本篇文章《在有氧条件下实现铁硫蛋白的一锅合成研究》能对你有所帮助！
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