发布日期： 2024年09月18日
来源：Nature Biotechnology
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长期以来，试图设计具有新功能的生物分子的科学家们一直感到受限于这20种氨基酸的构建模块。研究人员正在努力开发将新的构建模块——称为非规范氨基酸——放入蛋白质中的方法。
现在，斯克里普斯研究中心(Scripps Research)的一个研究小组报告说，他们设计了一种向蛋白质中添加非规范氨基酸的新范例。他们的研究“无需宿主基因组修饰的有效遗传密码扩展”发表在《Nature Biotechnology》杂志上，围绕着使用四个RNA核苷酸——而不是典型的密码子中的三个——来编码每个新的氨基酸。
“我们的目标是开发具有定制功能的蛋白质，用于生物工程和药物发现等领域的应用，”资深作者Ahmed Badran博士说，他是斯克里普斯研究所的化学助理教授。“能够用这种新方法将非规范氨基酸结合到蛋白质中，使我们更接近这个目标。”
然而，许多氨基酸有不止一个可能的密码子;例如，RNA读取序列UAU和UAC都对应于氨基酸酪氨酸。转运RNA (tRNAs)的工作是将每个氨基酸与其相应的密码子连接起来。
最近，旨在向蛋白质中添加全新氨基酸的研究人员创造了重新分配密码子的策略。例如，UAU密码子可以通过改变UAU的tRNA连接到一个新的氨基酸上;这将导致UAU被细胞读取为与酪氨酸以外的构建块相对应。但与此同时，细胞基因组中的每一个UAU都需要变成UAC，以防止新的氨基酸被整合到数千种不属于它的其他蛋白质中。
Badran指出:“通过全基因组重新编码来创建自由密码子可能是一种强大的策略，但它也可能是一项具有挑战性的任务，因为它需要大量的资源来构建新的基因组。对于生物体本身来说，很难预测这些密码子变化如何影响基因组稳定性和宿主蛋白质的产生。”
Badran和他的同事们希望创造一种高效的即插即用策略，只将选定的非规范氨基酸整合到目标蛋白质的特定位置，而不破坏细胞的正常生物学特性，也不需要编辑整个基因组。这意味着使用尚未分配到氨基酸上的tRNA。他们的解决方案是:一个四核苷酸密码子。
研究小组知道，在一些情况下——比如细菌迅速适应耐药性——四核苷酸密码子是自然进化的。因此，在他们的新工作中，研究人员研究了是什么导致细胞使用具有四个核苷酸而不是三个核苷酸的密码子。他们发现四碱基密码子附近序列的特性是至关重要的(经常使用的密码子增强了细胞如何读取四核苷酸密码子以结合非规范氨基酸)。
Badran的研究小组随后测试了他们是否可以改变单个基因的序列，使其具有一个新的四核苷酸密码子，以便细胞正确使用。这种方法是有效的:当研究人员用三字母的、经常使用的密码子包围一个目标位点，并保持足够的四核苷酸tRNA水平时，细胞就会整合任何附着在相应的四字母tRNA上的新氨基酸。
研究小组用12个不同的四核苷酸密码子重复了这个实验，然后用这项技术设计了100多个新的环肽(大环)，每个环肽中最多含有三个非规范氨基酸。
Badran指出:“这些环状肽让人想起人们可能在自然界中发现的生物活性小分子。通过利用蛋白质合成的可编程性和这种方法可获得的构建块的多样性，我们可以创造出新的自然小分子，这些小分子将在药物发现中具有令人兴奋的应用。”
他补充说，与以前的非规范氨基酸整合方法相比，这种新方法更容易使用，因为它只涉及改变一个基因，而不是细胞的整个基因组。此外，由于四核苷酸密码子比三核苷酸密码子可能存在更多的非规范氨基酸，因此可以在单个蛋白质中使用更多的非规范氨基酸。
Badran说:“我们的研究结果表明，人们现在可以轻松有效地将非规范氨基酸整合到各种蛋白质的不同位点。我们对我们正在进行的工作的这些可能性感到兴奋，并为更广泛的社区提供这种能力。”
他指出，这项技术可以用来重新设计现有的蛋白质，或者创造全新的蛋白质，这些蛋白质在包括医药、制造业和化学传感在内的一系列领域都有用途。
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