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Designer organelles bring new functionalities into cells
EMBL scientists create membraneless organelle to build proteins in living cell
For the first time, scientists have engineered the complex biological process of translation into a designer organelle in a living mammalian cell. Research by the Lemke group at the European Molecular Biology Laboratory (EMBL) – in collaboration with JGU Mainz and IMB Mainz – used this technique to create a membraneless organelle that can build proteins from natural and synthetic amino acids carrying new functionality. Their results – published in Science on 29 March – allow scientists to study, tailor, and control cellular function in more detail.
During evolution, the development of new organelles allows cells and organisms to become more complex, due to the ability to sort cellular processes into specific hotspots. “Our tool can be used to engineer translation, but potentially also other cellular processes like transcription and post-translational modifications. This might even allow us to engineer new types of organelles that extend the functional repertoire of natural complex living systems,” explains Christopher Reinkemeier, PhD student at EMBL and JGU Mainz and co-first author of the paper. “We could for example incorporate fluorescent building blocks that allow a glimpse inside the cell using imaging methods.”
“The organelle can make proteins by using synthetic non-canonical amino acids. Currently we know of more than 300 different non-canonical amino acids – compared to 20 which are naturally occurring. We are no longer restricted to the latter ones,” says co-first author Gemma Estrada Girona. “The novelty we introduce is the ability to use these in a confined space, the organelle, which minimises the effects on the host.”
Wobbly wall-less organelles
Translation is such a complex process that it cannot be contained in one single organelle surrounded by a membrane. Therefore, inspiration was drawn from phase separation: the process responsible for the formation of membraneless organelles in vivo, such as nucleoli or stress granules. Phase separation is used by cells to locally concentrate specific proteins and RNAs. Even though these wall-less organelles have wobbly boundaries as they dynamically interact with the surrounding cytoplasm, they can still do very precise tasks. The team combines phase separation with cellular targeting to create their membraneless organelle and to make sure that only one organelle per cell is formed.
IMAGE: Aleks Krolik/EMBL
In the end, only five new components have to be engineered into a cell to build it. The assembly of these components generates a large structure, which might create some burden on the cell. In the future, the group aims to engineer minimal designer organelles, to minimise any impact on the physiology of the healthy organism.
Edward Lemke – visiting group Leader at EMBL, Professor at JGU Mainz and Adjunct Director at the IMB – led the project. He concludes: “In the end, we aim to develop a technique to engineer synthetic cellular organelles and proteins that do not affect the host machinery at all. We want to create a tool that does not have any uncharacterised effects. The organelle should be a simple add-on that allows organisms to do custom-designed novel things in a controlled fashion.”
Designer-Organellen in Zellen stellen künstliche Proteine her
Forscherteam erzeugt membranlose Organellen in lebender Zelle für die Proteinsynthese – Einbau von synthetischen Aminosäuren ermöglicht komplett neue chemische Funktionalität
Einem Forscherteam um den biophysikalischen Chemiker Prof. Dr. Edward Lemke ist es gelungen, eine membranlose Organelle in einer lebenden Zelle zu erzeugen und damit selektiv Proteine herzustellen, in die synthetische Aminosäuren eingebaut sind. Über diese chemisch erzeugten Aminosäuren ist es möglich, die Zellen mit völlig neuen Funktionen auszustatten. Beispielsweise könnten fluoreszierende Bausteine eingebaut werden, die mit bildgebenden Verfahren einen Blick ins Innere der Zelle erlauben. Die Forschungsarbeit der Gruppe ist in Zusammenarbeit der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), dem Institut für Molekulare Biologie (IMB) und dem European Molecular Biology Laboratory (EMBL) erfolgt und wurde in dem renommierten Wissenschaftsmagazin Science veröffentlicht.
Organellen sind Kompartimente in Zellen, die wie der Kern oder die Mitochondrien bestimmte Funktionen erfüllen. Die Gruppe um Lemke hat nun ein neues Kompartiment erzeugt, in dem spezielle Proteine synthetisiert werden können. „Bildlich gesprochen suchen wir uns eine Ecke in der Zelle aus, wo wir unser Haus bauen und holen dann einen Teil der Ribosomen, die in der Zelle vorhanden sind, herein“, beschreibt Edward Lemke das Vorgehen. An den Ribosomen erfolgt die Biosynthese von Proteinen. Über den genetischen Code wird dabei die Boten-RNA (mRNA) in die Abfolge der Aminosäuren für das neu zu bildende Protein übersetzt.
Beim Bau der Designer-Organelle hat sich das Team um Lemke vom Prinzip der Phasenseparation inspirieren lassen: Phasenseparation wird von der Zelle verwendet, um spezielle Proteine und RNA lokal zu konzentrieren und neue, membranlose Kompartimente zu bauen. „Unsere membranlose Organelle ist quasi ein offenes Reaktionszentrum“, so Lemke.
Damit kann die Proteinbiosynthese an einem genau definierten Ort ablaufen, was für die Arbeit mit künstlichen Aminosäuren wichtig ist. Denn die Technik, mit Hilfe einer nicht natürlichen Aminosäure ein neues Protein zu schaffen, ist bereits bekannt. Wenn dieser Einbau aber unspezifisch in der ganzen Zelle erfolgt, ist die Belastung groß und die Zelle wird unter Umständen stark beeinträchtigt. Mit ihrer Methode der sogenannten orthogonalen Translation vermeiden die Wissenschaftler dieses Problem.
Großer Fundus an natürlichen und synthetischen Aminosäuren für Proteinsynthese an Designer-Organellen
„Unsere Organelle kann Proteine erzeugen, indem sie synthetisch hergestellte nicht-kanonische Aminosäuren verwendet. Davon gibt es zurzeit über 300. Das heißt es gibt nun keine Beschränkungen mehr, nur die 20 kanonischen Aminosäuren zu nutzen“, erklärt Gemma Estrada Girona, zusammen mit Christopher Reinkemeier Erstautorin der Science-Veröffentlichung. Beim Menschen bestehen die Proteine aus 20 natürlich vorkommende Aminosäuren, auch kanonische Aminosäuren genannt. Darüber hinaus gibt es nicht-kanonische Aminosäuren, die nicht in normalen menschlichen Proteinen vorkommen. Die Erweiterung des genetischen Codes ermöglicht es, dass auch nicht-kanonische Aminosäuren eingebaut werden. Die neue Designer-Organelle ist in der Lage, den genetischen Code selektiv zu erweitern. Dadurch wird innerhalb der Organelle die RNA anders übersetzt als im Rest der Zelle. „Wir haben uns die Natur zum Vorbild genommen, speziell den membranlosen Nukleolus, der im Zellkern an der Synthese von RNA beteiligt ist“, erklärt Lemke. „Wir waren dann aber doch überrascht, dass wir eine so komplizierte Struktur und Funktion tatsächlich mit wenigen Schritten selber bauen können.“
Das Konzept kann möglicherweise als Plattform für das Design weiterer Organellen dienen und einen Weg aufzeigen, um semisynthetische Zellen und semisynthetische Organismen zu schaffen. „Unser Werkzeug ist in der Lage, Translation in Zellen durchzuführen, potenziell aber auch andere Zellprozesse wie die Transkription. Dies könnte es uns ermöglichen, neue Typen von Organellen zu erzeugen, die das funktionelle Repertoire komplexer lebender Systeme erweitern“, erläutert Christopher Reinkemeier.
Die Designer-Organellen verbinden also Biologie und Chemie, um eine komplett neue chemische Funktionalität zu erreichen. Anwendungen ergeben sich außer der erwähnten Fluoreszenz-Methode für die Bildgebung etwa auch bei der Herstellung von Antikörpern für therapeutische Zwecke. Zunächst wollen Lemke und sein Team jedoch die Designer-Organellen weiter verkleinern, um jeden Einfluss auf die Physiologie eines gesunden Organismus zu minimieren.
Edward Lemke ist Visiting Group Leader am European Molecular Biology Laboratory, Professor für synthetische Biophysik an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und Adjunct Director am Institut für Molekulare Biologie. Er koordiniert auch das neue DFG-Schwerpunktprogramm „Molekulare Mechanismen funktioneller Phasenseparation”.
