科学家扩展基因字母表以创造新的蛋白质

这是每个生物学入门课程都会教授的教条：蛋白质由 20 种不同的氨基酸组合而成，排列成各种序列，就像单词一样。但试图设计具有新功能的生物分子的研究人员长期以来一直感到这 20 种基本结构单元的限制，并努力开发将新结构单元(称为非典型氨基酸)放入蛋白质中的方法。

现在，斯克里普斯研究所的科学家设计了一种新范式，可以轻松地将非规范氨基酸添加到蛋白质中。他们的方法于 2024 年 9 月 11 日发表在《自然生物技术》杂志上，主要围绕使用四个 RNA 核苷酸(而不是通常的三个)来编码每个新氨基酸。

“我们的目标是开发具有定制功能的蛋白质，以应用于从生物工程到药物发现的各个领域，”资深作者、斯克里普斯研究所化学助理教授 Ahmed Badran 博士说。“利用这种新方法将非规范氨基酸整合到蛋白质中，让我们更接近这一目标。”

细胞要产生任何给定的蛋白质，必须将 RNA 链翻译成一串氨基酸。RNA 的每三个核苷酸(称为密码子)对应一种氨基酸。但许多氨基酸有多个可能的密码子;例如，读取序列 UAU 和 UAC 的 RNA 都对应于氨基酸酪氨酸。将每种氨基酸与其相应的密码子连接起来是称为转移 RNA (tRNA) 的小分子的工作。

最近，致力于向蛋白质中添加全新氨基酸的研究人员已经制定了重新分配密码子的策略。例如，可以通过改变 UAU 的 tRNA 将 UAU 密码子与新氨基酸连接起来;这将导致细胞将 UAU 读取为对应于酪氨酸以外的构建块。但与此同时，细胞基因组中的每个 UAU 实例都需要成为 UAC，以防止新氨基酸被整合到数千种不属于它的其他蛋白质中。

Badran 表示：“通过全基因组重编码创建自由密码子可能是一种有效的策略，但它也可能是一项具有挑战性的任务，因为它需要大量资源来构建新的基因组。对于生物体本身而言，很难预测这种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 和他的同事希望创建一种高效的即插即用策略，该策略只会将选定的非规范氨基酸整合到目标蛋白质中的特定位点，而不会破坏细胞的正常生物学或需要编辑整个基因组。这意味着使用尚未分配给氨基酸的 tRNA。他们的解决方案是：四核苷酸密码子。

研究小组知道，在少数情况下，例如细菌迅速适应抵抗药物，四核苷酸密码子会自然进化。因此，在新研究中，研究人员研究了是什么原因导致细胞使用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身份至关重要——常用密码子增强了细胞读取四核苷酸密码子以整合非规范氨基酸的能力。

巴德兰研究小组随后测试他们是否可以改变单个基因的序列，以便它具有一个可以被细胞正确使用的新的四核苷酸密码子。

该方法有效：当研究人员用三个字母的常用密码子包围目标位点并保持四核苷酸 tRNA 的足够水平时，细胞会吸收任何附着在相应四核苷酸 tRNA 上的新氨基酸。研究小组用 12 种不同的四核苷酸密码子重复了该实验，然后使用该技术设计了 100 多种新的环肽(称为大环肽)，每种肽中最多含有三种非典型氨基酸。

Badran 表示：“这些环状肽让人想起了自然界中可能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通过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方面具有令人兴奋的应用。”

他补充说，与之前的非规范氨基酸插入方法相比，这种新方法易于使用，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的可能性比三核苷酸密码子的可能性更大，因此单个蛋白质中可以使用更多的非规范氨基酸。

Badran 表示：“我们的研究结果表明，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置。我们对正在进行的工作的这些可能性感到兴奋，并希望向更广泛的社区提供这种能力。”

他指出，该技术可用于重新设计现有的蛋白质，或创造全新的蛋白质，可用于医药、制造和化学传感等多个领域。

除了巴德兰之外，这项研究的作者还包括斯克里普斯研究所的艾伦·科斯特洛 (Alan Costello)、亚历山大·彼得森 (Alexander Peterson)、大卫·兰斯特 (David Lanster) 和李志毅 (Zhiyi Li);以及普林斯顿大学的加夫里拉·卡弗 (Gavriela Carver)。