地球上所有的生物都是由20種不同的氨基酸組合構(gòu)成蛋白質(zhì)。為了給這一構(gòu)成中添加新的氨基酸，科學(xué)家重新設(shè)計了基因和其他一些蛋白質(zhì)構(gòu)建機制，從而產(chǎn)生了具有*化學(xué)性質(zhì)的蛋白質(zhì)，可用于制造藥物。這項工作極為費力，且通常一次只能添加一個新氨基酸。

現(xiàn)在，研究人員打開了一道可以做更多事情的“閘門”：對一種細(xì)菌基因組的廣泛重寫可以在一種蛋白質(zhì)中添加多個新的氨基酸。這項工作或為合成抗生素和抗腫瘤藥物開辟新的途徑。

“這篇論文給我留下了深刻的印象。”美國加州大學(xué)歐文分校的合成生物學(xué)家劉暢（音譯）說，“這是基因編碼重組過程中的一個重要里程碑。”

這一努力已經(jīng)持續(xù)了數(shù)十年。制造“設(shè)計蛋白”的一種早期方法是“霸占”制造蛋白質(zhì)的細(xì)胞成分，插入非自然的氨基酸。當(dāng)細(xì)胞制造蛋白質(zhì)時，DNA密碼——A、C、G、T首先被復(fù)制到RNA（其中用U取代T）

RNA被解讀為一系列三個字母的單詞，稱為密碼子，其中大部分為插入蛋白質(zhì)的20種天然氨基酸中的一種編碼。但因為有64個三個字母的密碼子，其中就會有重復(fù)。如，6個密碼子氨基酸絲氨酸。三個密碼子不編碼氨基酸；相反，它們會指示細(xì)胞停止制造蛋白質(zhì)。

最初，研究人員通過讓細(xì)胞機器在看到特定的終止密碼子時添加一個氨基酸來插入非天然氨基酸。美國醫(yī)學(xué)研究委員會分子生物學(xué)實驗室的合成生物學(xué)家Jason Chin表示，盡管這種方法已經(jīng)變得更加復(fù)雜，但通常情況下，每個蛋白質(zhì)仍只能插入一個氨基酸。

為了增加更多的密碼子，Chin和同事試圖重新利用通常為絲氨酸編碼的6個密碼子中的兩個。在2019年的一項研究中，研究人員使用CRISPR-Cas9基因編輯工具創(chuàng)建了一種名為Syn61的大腸桿菌菌株。為此，他們替換了該細(xì)菌長達(dá)400萬堿基的基因組中超過18000個絲氨酸密碼子。研究人員將UCG、UCA和終止密碼子UAG分別替換為它們的“同義詞”：AGC、AGU和UAA。這意味著絲氨酸仍然會被整合到Syn61生長中的蛋白質(zhì)的正確位置上。但是UCG、UCA和UAG密碼子實際上是“空白”，不再編碼蛋白質(zhì)中的任何東西，因此可以被改變用途，重新利用。

這種重新利用正是Chin和同事現(xiàn)在所完成的。利用Syn61，科學(xué)家們刪除了一種被稱為轉(zhuǎn)移RNA （tRNAs）的分子基因，這種分子可以識別UGC和UCA，并將絲氨酸插入生長的蛋白質(zhì)中。他們還去除了對UAG終止密碼子產(chǎn)生反應(yīng)而關(guān)閉蛋白質(zhì)合成的化學(xué)化合物。然后，研究人員在遇到UGC、UCA或UAG時，添加新的tRNA來插入非自然氨基酸。最后，他們將這些密碼子寫回到基因組中，在那里他們希望出現(xiàn)非自然氨基酸。研究人員6月4日在《科學(xué)》雜志上報告說，這使得他們可以在單個蛋白質(zhì)中同時添加三種非天然氨基酸。他們也可以為每一份寫多份副本。

波士頓學(xué)院的合成生物學(xué)者Abhishek Chatterjee說：“它確實產(chǎn)生了影響。”這些變化使得Chin和同事將新的氨基酸串成一系列環(huán)狀結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的抗生素和抗腫瘤藥物非常相似。因為有幾十種不同的非自然氨基酸可供選擇，無數(shù)的組合可以以這種方式插入。Chatterjee說，這為創(chuàng)建潛在大型新藥“圖書館”打開了大門。

Chin補充說，研究人員還可以擴展這個策略，重新利用其他多余的密碼子，在混合中添加更多新的氨基酸和更多的化學(xué)多樣性。

也許同樣有趣的是，劉暢說，大規(guī)模的基因組變化對通常感染大腸桿菌的病毒意味著什么。2013年，研究人員報告稱，重組大腸桿菌的終止密碼子可能會破壞病毒復(fù)制的能力。這是因為病毒依賴于大腸桿菌的天然密碼子來制造功能性蛋白質(zhì)。這種策略在阻止病毒感染方面并不是萬無yi失的，因為終止密碼子并不經(jīng)常出現(xiàn)，而且一些病毒能夠圍繞這些變化進(jìn)化。

但病毒通常需要在每種蛋白質(zhì)中含有更多的絲氨酸。由于修改后的Syn61在其蛋白構(gòu)建機制讀取UCG或UCA密碼子時不再插入絲氨酸，病毒無法讓Syn61構(gòu)建有效的病毒蛋白，從而阻止它們在細(xì)菌細(xì)胞中復(fù)制。

“這看起來比之前的方法更穩(wěn)健。”劉暢說。他補充說，這對希望保護(hù)生產(chǎn)藥物或其他有價值化學(xué)品的工程生物的生物技術(shù)公司來說可能是一個福音。

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來源：生物探索

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