科学家神奇操作！扩展遗传密码造新蛋白质

在每堂生物学入门课上都会讲授这样一个定论：蛋白质由 20 种不同氨基酸的组合构成，它们像单词一样排列成不同的序列。但长期以来，试图设计具有新功能的生物分子的研究人员一直受这 20 种基本构建模块的限制，并努力开发把新的构建模块（称为非规范氨基酸）纳入其蛋白质的方法。

现在，斯克里普斯研究所的科学家们设计了一种新范式，以便能轻松地把非规范氨基酸添加到蛋白质里。他们的方法于 2024 年 9 月 11 日在《自然生物技术》中被描述，围绕使用四个 RNA 核苷酸（而非通常的三个）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，用于从生物工程到药物发现等领域的应用，”资深作者、斯克里普斯研究所化学助理教授艾哈迈德·巴德兰博士说。“能够用这种新方法将非规范氨基酸纳入蛋白质，使我们更接近这个目标。”

对于一个细胞要产生任何给定的蛋白质，它就必须把一条 RNA 链翻译成一串氨基酸。RNA 的每三个核苷酸，称为密码子，对应一个氨基酸。但很多氨基酸不止有一个可能的密码子。比如，读取序列 UAU 和 UAC 的 RNA 都对应着氨基酸酪氨酸。被称为转移 RNA（tRNA）的小分子的工作是把每个氨基酸与其相应的密码子连接起来。

最近，旨在给蛋白质添加全新氨基酸的研究人员已制定出重新分配密码子的策略。例如，通过改变 UAU 的 tRNA，可以将 UAU 密码子与新的氨基酸连接起来；这会致使细胞把 UAU 解读为对应除酪氨酸之外的构建模块。但同时，细胞基因组中的每个 UAU 实例都需要变为 UAC，以防止新氨基酸被整合到数千种其他它不应该存在的蛋白质中。

“通过全基因组重新编码来创建自由密码子，或许是一种强有力的策略，但也可能是一项颇具挑战性的任务，因为构建新的基因组需要大量的资源，”巴德兰说。“对于生物体本身来说，很难去预测这种密码子的变化会怎样影响基因组的稳定性以及宿主蛋白质的产生。”

巴德兰和他的同事们想要创建一种高效的即插即用策略，该策略仅把选定的非规范氨基酸掺入目标蛋白质的特定位置，而不会破坏细胞的正常生物学特性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：四核苷酸密码子。

该团队了解到，在某些情形下——例如细菌迅速适应从而抵抗药物——四核苷酸密码子已然自然进化。

他们发现，四碱基密码子周边序列的性质极为关键——常用密码子提升了细胞读取四核苷酸密码子从而纳入非规范氨基酸的能力。

巴德兰的团队接着测试了他们能否更改单个基因的序列，让其拥有一个新的四核苷酸密码子，并且能被细胞正确运用。

该方法行之有效：当研究人员用三个字母的常用密码子环绕目标位点，并维持足够量的四核苷酸 tRNA 时，细胞吸纳了任何与相应的四个字母 tRNA 相连接的新氨基酸。

研究团队采用 12 种不同的四核苷酸密码子重复了此项实验，而后运用该技术设计了 100 多种新的环肽——称作大环化合物——每个都包含多达三个非规范氨基酸。

“这些环肽不禁让人想起在自然界中可能存在的生物活性小分子，”巴德兰说道。

“通过利用蛋白质合成的可编程特性以及借助这种方法所能获取的构件的多样性，我们能够创造出自然界原本不存在的小分子，这在药物发现领域将会有令人振奋的应用。”

他补充道，与以往将非规范氨基酸掺入的方式相比，这种新方法用起来更简便，因为它仅仅涉及改变一个基因，而非一个细胞的整个基因组。

此外，由于四个核苷酸的密码子比三个核苷酸的密码子存在更多的可能性，所以在单个蛋白质里能够使用更多的非规范氨基酸。

“我们的研究结果表明，当下人们能够轻松且有效地在各类蛋白质的不同位点掺入非规范氨基酸，”巴德兰表示。

我们对正在开展的工作所具有的这些可能性感到兴奋不已，并会将这种能力提供给更广泛的群体。

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——这些蛋白质在包括医学、制造业和化学传感等一系列领域都有用途。

除了巴德兰，‘无需宿主基因组修饰的高效遗传密码扩展’这一研究的作者还有来自斯克里普斯的艾伦·科斯特洛、亚历山大·彼得森、大卫·兰斯特和李志毅，以及来自普林斯顿大学的加夫列拉·卡弗。