近日，華南理工大學林影教授和暨南大學張弓教授的團隊在Biotechnology for Biofuels雜志（生物工程類一區）上發表文章，使用翻譯全局控制方法，改善外源蛋白質在畢赤酵母中表達的折疊效率，有效提高活性蛋白質產量。據悉，這是翻譯組調控在真核生物細胞工廠底盤細胞中的首次成功應用，極大地拓展了合成生物學的施展空間。
人們常使用細胞工廠來表達外源蛋白質，以大量生產具有藥用或工業價值的蛋白質。畢赤酵母（Pichia pastoris）是一種常用的細胞工廠底盤細胞，十分安全且易于低成本培養。但表達出的外源蛋白質常常活性很低，這是由于蛋白質沒有正確折疊造成的。事實上，絕大部分外源蛋白質在低等生物工程化表達體系中（包括細菌、酵母）都難以正確折疊，易形成包涵體或者被降解，難以得到可溶性、活性強的蛋白質。這使得許多高價值的蛋白質無法低成本生產。傳統的密碼子優化、分子伴侶共表達、發酵條件優化等方式作用有限，甚至會起到反效果。
2009年，張弓等人根據大腸桿菌中的研究結果，首先建立了翻譯暫停理論“pause-to-fold”，指出核糖體在mRNA上翻譯時并不是勻速運動的，密碼子的非隨機性選擇造成了在特定區段上的翻譯暫停現象。翻譯暫停位點與結構域相對應，如果翻譯暫停不正確，即使氨基酸序列正確，環境也適宜，蛋白質也不能正確折疊。
（Zhang et al., Nature Structural and Molecular Biology 2009）這意味著，蛋白質的天然構象不僅與其氨基酸序列有關，也與其合成的過程有關，這對獲得1972年諾貝爾化學獎的“安芬森原則”做出了顛覆式的更新。在此理論的指導下，張弓教授等人成功地通過對外源蛋白質編碼基因進行序列理性重設計，通過沉默突變修改翻譯暫停位點，在不改變蛋白質氨基酸序列、不改變發酵表達條件的前提下，在大腸桿菌中成功使得CVN蛋白質正確折疊，可溶性產量飆升2000多倍，實測抗病毒比活性甚至高于野生型蛋白質，為蛋白質工程提供了一條另類但極為高效的生產優化路線（Chen et al., Journal of Biotechnology, 2014）。
但在酵母中這種策略難以實施，主要原因是酵母的tRNA組未曾測定過，無法對外源基因進行序列理性重設計以優化翻譯暫停。于是，華南理工大學林影教授和暨南大學張弓教授的團隊直接拿核糖體開刀。核糖體是細胞中最精密的大分子機器，由3個rRNA和幾十個蛋白質組成，進化上高度保守，但這并不意味著這臺精密機器就不能“卸掉幾個零件”。通過對幾十個核糖體蛋白進行逐一敲除，課題組發現畢赤酵母中至少有27個核糖體蛋白不是維持翻譯功能所必須的，而敲除這些核糖體蛋白的結果，絕大部分竟然可以使外源蛋白的表達活性成倍升高。這些“缺零件”的核糖體很顯然會改變細胞內所有的翻譯狀況，因此這種調控是翻譯組級別的調控。
為了揭示其分子機制，課題組對其中幾種能顯著提高外源蛋白表達活性的核糖體蛋白敲除菌株和不能提高外源蛋白表達活性的敲除株進行了翻譯的全局對比。通過對各菌株的翻譯組測序（RNC-seq，由承啟生物提供翻譯組測序服務），課題組確認所有菌株內外源基因的轉錄幾乎完全一致，翻譯起始的效率也幾乎完全一致。
通過對核糖體組分的分析發現，“有利”的核糖體蛋白敲除株使得核糖體的翻譯延伸速率明顯減慢，而“不利”的敲除株則沒有這種效應。對新生肽鏈（即在核糖體上尚未合成完畢的蛋白質肽鏈）進行結構分析表明，“有利”的敲除株中的新生肽鏈折疊狀態更好，更能耐受蛋白酶的攻擊。作為結果，“有利”敲除株中的外源蛋白質較少進入不溶性的蛋白聚集體內。這表明“缺零件”的核糖體跑得更慢，有更多的翻譯暫停，使外源蛋白能更好的折疊。不僅如此，似乎這種“缺零件”的核糖體也對內源蛋白質的折疊有好處，反映在發酵中前期敲除株的生長更快，能達到更高的菌體密度。
這一研究成果，首次在真核生物中以實驗方式確證了翻譯暫停理論，并通過改造核糖體的方式建立了畢赤酵母的優化表達菌株，可望較為通用化的解決外源蛋白質的高效活性表達問題，不但可以解決單一蛋白質的生產問題，更可望方便地使轉入的多種外源蛋白質（如合成某種代謝產物的整個代謝酶系）都能發揮良好的功能，從而給合成生物學提供適應性更強大的工程平臺。