Cell子刊：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)譚雨青團(tuán)隊(duì)綜述重組膠原蛋白翻譯后修飾開啟細(xì)胞農(nóng)業(yè)閉合循環(huán)新紀(jì)元

細(xì)胞農(nóng)業(yè)正通過細(xì)胞培養(yǎng)、精密發(fā)酵和組織工程技術(shù)，在受控的無動(dòng)物系統(tǒng)中生產(chǎn)肉類、皮革等產(chǎn)品。然而，這一領(lǐng)域的成功不僅依賴于細(xì)胞系和生物工藝的進(jìn)步，更需要構(gòu)建完整且無動(dòng)物的支架和細(xì)胞外基質(zhì)仿生體系。膠原蛋白作為哺乳動(dòng)物體內(nèi)最主要的結(jié)構(gòu)蛋白，通過提供機(jī)械支撐和細(xì)胞信號傳導(dǎo)，成為培養(yǎng)肉、細(xì)胞基皮革和3D生物打印組織的核心材料。但目前廣泛使用的動(dòng)物源膠原蛋白不僅違背了細(xì)胞農(nóng)業(yè)的倫理初衷，還存在批次差異和污染風(fēng)險(xiǎn)。重組膠原蛋白的出現(xiàn)為這一困境提供了解決方案，但要實(shí)現(xiàn)與天然膠原蛋白功能相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品，翻譯后修飾的控制成為關(guān)鍵突破口。

2026年3月9日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院譚雨青副教授團(tuán)隊(duì)在《Trends in Biotechnology》發(fā)表題為《Recombinant collagen in the era of cellular agriculture》的重磅綜述。該研究系統(tǒng)闡述了重組膠原蛋白在細(xì)胞農(nóng)業(yè)時(shí)代的核心地位，深入分析了翻譯后修飾對膠原蛋白功能的關(guān)鍵影響，并總結(jié)了五種創(chuàng)新策略來實(shí)現(xiàn)翻譯后修飾的精準(zhǔn)控制，為構(gòu)建自給自足的無動(dòng)物膠原蛋白生態(tài)系統(tǒng)提供了全新思路。

研究團(tuán)隊(duì)首先系統(tǒng)評估了不同表達(dá)宿主系統(tǒng)的翻譯后修飾能力。大腸桿菌和酵母等原核系統(tǒng)雖然成本低、可規(guī)?；糯?，但完全缺乏膠原蛋白必需的翻譯后修飾能力。CHO細(xì)胞等哺乳動(dòng)物細(xì)胞雖能提供正確的翻譯后修飾，但表達(dá)水平低、生產(chǎn)成本高。植物細(xì)胞易于放大且具有廣泛底物特異性，能支持部分修飾。昆蟲細(xì)胞背景干擾低且無內(nèi)毒素，但修飾能力有限。這一系統(tǒng)對比為不同應(yīng)用場景下的宿主選擇提供了關(guān)鍵指導(dǎo)。

針對脯氨酸羥化這一關(guān)鍵修飾，酶共表達(dá)策略展現(xiàn)出顯著效果。團(tuán)隊(duì)將病毒來源的脯氨酰4-羥化酶與III型膠原蛋白在畢赤酵母中共表達(dá)，重組膠原蛋白產(chǎn)量提高75%。在更深入的探索中，研究比較了炭疽桿菌、放線菌和巨大病毒來源的羥化酶，發(fā)現(xiàn)病毒酶共表達(dá)的重組膠原蛋白脯氨酸羥化率達(dá)到73%，細(xì)胞活力從對照組的19%提升至85%。炭疽桿菌羥化酶共表達(dá)的膠原蛋白熱穩(wěn)定性達(dá)38°C，細(xì)胞活力達(dá)90%，遠(yuǎn)高于未羥化樣品的79.5%。

共翻譯摻入策略為原核系統(tǒng)羥化修飾開辟了新途徑。研究利用脯氨酸缺陷型大腸桿菌，在培養(yǎng)基中直接添加羥脯氨酸，成功實(shí)現(xiàn)了羥脯氨酸在膠原蛋白序列中的隨機(jī)分布。這一策略使羥化率達(dá)到43%，熱穩(wěn)定性從22°C提升至27°C。更重要的是，羥化重組膠原蛋白的細(xì)胞結(jié)合能力比未羥化樣品提高近30%，接近天然膠原的羥化水平。

遺傳修飾策略通過引入特定氨基酸殘基實(shí)現(xiàn)了可控交聯(lián)。研究團(tuán)隊(duì)對釀膿鏈球菌來源的細(xì)菌膠原蛋白進(jìn)行改造，在N端和C端引入酪氨酸或半胱氨酸殘基。半胱氨酸修飾的膠原在磷酸鹽緩沖液中形成可溶性分子間交聯(lián)聚集體，而酪氨酸修飾的膠原形成穩(wěn)定凝膠，表現(xiàn)出更廣泛的交聯(lián)程度。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在0.1%過氧化氫存在下，末端含半胱氨酸的4%膠原溶液可形成穩(wěn)定水凝膠，小鼠成骨細(xì)胞在其上的活性達(dá)69.15%，遠(yuǎn)高于未修飾的43.32%。

遺傳密碼擴(kuò)展策略將非天然氨基酸引入膠原蛋白，賦予其全新功能。研究團(tuán)隊(duì)將L-DOPA定點(diǎn)摻入細(xì)菌膠原蛋白樣蛋白，所得材料形成均勻有序的纖維結(jié)構(gòu)，而未經(jīng)修飾的膠原呈無定形形態(tài)。在10微克/毫升濃度下，L-DOPA修飾膠原與小鼠成纖維細(xì)胞共培養(yǎng)時(shí)，細(xì)胞活力達(dá)140%，遠(yuǎn)超普通膠原的120%。當(dāng)同時(shí)引入羥脯氨酸和L-DOPA時(shí)，膠原蛋白熱穩(wěn)定性從66°C分別提升至72°C和84°C，水凝膠纖維形成能力和穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。

光交聯(lián)策略為重組膠原蛋白提供了正交、時(shí)空可控的交聯(lián)途徑。團(tuán)隊(duì)對酵母表達(dá)的重組I型膠原進(jìn)行甲基丙烯酸酐修飾，經(jīng)紫外光照后，10%濃度的膠原水凝膠儲能模量達(dá)6000帕，與牛源明膠相當(dāng)。在更精細(xì)的對比研究中，降冰片烯修飾結(jié)合巰基-烯光點(diǎn)擊化學(xué)的膠原水凝膠儲能模量達(dá)16000帕，遠(yuǎn)高于甲基丙烯酸酐修飾的10000帕，這得益于逐步聚合形成的更均勻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

READING

BioPeers

歡迎關(guān)注本公眾號，所有內(nèi)容歡迎點(diǎn)贊，推薦??，評論，轉(zhuǎn)發(fā)~

如有錯(cuò)誤、遺漏、侵權(quán)或商務(wù)合作請私信小編~~

歡迎大家投稿課題組 研究進(jìn)展 、招聘及招生宣傳~

所有文章只為科普、科研服務(wù)，無商業(yè)目的~