科學家神奇操作！擴展遺傳密碼造新蛋白質

在每堂生物學入門課上都會講授這樣一個定論：蛋白質由 20 種不同氨基酸的組合構成，它們像單詞一樣排列成不同的序列。但長期以來，試圖設計具有新功能的生物分子的研究人員一直受這 20 種基本構建模塊的限制，並努力開發把新的構建模塊（稱爲非規範氨基酸）納入其蛋白質的方法。

現在，斯克裡普斯研究所的科學家們設計了一種新範式，以便能輕鬆地把非規範氨基酸添加到蛋白質裡。他們的方法於 2024 年 9 月 11 日在《自然生物技術》中被描述，圍繞使用四個 RNA 核苷酸（而非通常的三個）來編碼每個新的氨基酸。

“我們的目標是開發具有定製功能的蛋白質，用於從生物工程到藥物發現等領域的應用，”資深作者、斯克裡普斯研究所化學助理教授艾哈邁德·巴德蘭博士說。“能夠用這種新方法將非規範氨基酸納入蛋白質，使我們更接近這個目標。”

對於一個細胞要產生任何給定的蛋白質，它就必須把一條 RNA 鏈翻譯成一串氨基酸。RNA 的每三個核苷酸，稱爲密碼子，對應一個氨基酸。但很多氨基酸不止有一個可能的密碼子。比如，讀取序列 UAU 和 UAC 的 RNA 都對應着氨基酸酪氨酸。被稱爲轉移 RNA（tRNA）的小分子的工作是把每個氨基酸與其相應的密碼子連接起來。

最近，旨在給蛋白質添加全新氨基酸的研究人員已制定出重新分配密碼子的策略。例如，通過改變 UAU 的 tRNA，可以將 UAU 密碼子與新的氨基酸連接起來；這會致使細胞把 UAU 解讀爲對應除酪氨酸之外的構建模塊。但同時，細胞基因組中的每個 UAU 實例都需要變爲 UAC，以防止新氨基酸被整合到數千種其他它不應該存在的蛋白質中。

“通過全基因組重新編碼來創建自由密碼子，或許是一種強有力的策略，但也可能是一項頗具挑戰性的任務，因爲構建新的基因組需要大量的資源，”巴德蘭說。“對於生物體本身來說，很難去預測這種密碼子的變化會怎樣影響基因組的穩定性以及宿主蛋白質的產生。”

巴德蘭和他的同事們想要創建一種高效的即插即用策略，該策略僅把選定的非規範氨基酸摻入目標蛋白質的特定位置，而不會破壞細胞的正常生物學特性或需要編輯整個基因組。這意味着使用尚未分配給氨基酸的 tRNA。他們的解決方案：四核苷酸密碼子。

該團隊瞭解到，在某些情形下——例如細菌迅速適應從而抵抗藥物——四核苷酸密碼子已然自然進化。

他們發現，四鹼基密碼子周邊序列的性質極爲關鍵——常用密碼子提升了細胞讀取四核苷酸密碼子從而納入非規範氨基酸的能力。

巴德蘭的團隊接着測試了他們能否更改單個基因的序列，讓其擁有一個新的四核苷酸密碼子，並且能被細胞正確運用。

該方法行之有效：當研究人員用三個字母的常用密碼子環繞目標位點，並維持足夠量的四核苷酸 tRNA 時，細胞吸納了任何與相應的四個字母 tRNA 相連接的新氨基酸。

研究團隊採用 12 種不同的四核苷酸密碼子重複了此項實驗，而後運用該技術設計了 100 多種新的環肽——稱作大環化合物——每個都包含多達三個非規範氨基酸。

“這些環肽不禁讓人想起在自然界中可能存在的生物活性小分子，”巴德蘭說道。

“通過利用蛋白質合成的可編程特性以及藉助這種方法所能獲取的構件的多樣性，我們能夠創造出自然界原本不存在的小分子，這在藥物發現領域將會有令人振奮的應用。”

他補充道，與以往將非規範氨基酸摻入的方式相比，這種新方法用起來更簡便，因爲它僅僅涉及改變一個基因，而非一個細胞的整個基因組。

此外，由於四個核苷酸的密碼子比三個核苷酸的密碼子存在更多的可能性，所以在單個蛋白質裡能夠使用更多的非規範氨基酸。

“我們的研究結果表明，當下人們能夠輕鬆且有效地在各類蛋白質的不同位點摻入非規範氨基酸，”巴德蘭表示。

我們對正在開展的工作所具有的這些可能性感到興奮不已，並會將這種能力提供給更廣泛的羣體。

他指出，該技術可用於重新設計現有的蛋白質——或創造全新的蛋白質——這些蛋白質在包括醫學、製造業和化學傳感等一系列領域都有用途。

除了巴德蘭，‘無需宿主基因組修飾的高效遺傳密碼擴展’這一研究的作者還有來自斯克裡普斯的艾倫·科斯特洛、亞歷山大·彼得森、大衛·蘭斯特和李志毅，以及來自普林斯頓大學的加夫列拉·卡弗。