Science：重写细菌基因组遗传暗码的新办法可一次在卵白中增加多种非人造的氨基酸

2021年6月18日讯/BIOON/---简直一切的无机体都是通过20种分歧的氨基酸组合在一路来构建它们的卵白质。为了在这种组合进程中增加新的氨基酸，迷信家们从新设计了基因和其他的卵白质构建对象，从而发生了具备共同化学个性的对制作药物很有帮忙的卵白质。然则，这类研讨任务很费时辛苦，并且通常一次只能增加一种新的氨基酸。

如今，研讨职员翻开了做更多事情的闸门。他们近期申报说，对一种的基因组进行普遍的重写，使他们可能在一种卵白质中增加许多新的氨基酸。这项研讨任务能够为合成和抗药物开发新路径。相关研讨成果颁发在Science期刊上，论文题目为“Sense codon reassignment enables viral resistance and encoded polymer synthesis”。

加州年夜学欧文分校合成生物学家Chang Liu指出，他对这篇论文印象十分粗浅，这是暗码从新设计的一个紧张里程碑。

这项新的尽力已进行了几十年。构建设计卵白（designer protein）的一种晚期办法是征用制作卵白质的细胞身分，让它们拔出非自然的氨基酸。当细胞制作卵白质时，构成DNA暗码的碱基A、C、G和T起首被复制到RNA中（在RNA中，U代替了T）。RNA被解读为一系列三个字母的单词（称为暗码子），此中年夜部门的暗码子编码拔出卵白质中的20种人造氨基酸之一。不外因为有64个暗码子，以是存在反复的环境：例如，六个暗码子编码称为丝氨酸的氨基酸。三个暗码子并不编码氨基酸；相反，它们批示细胞结束构建卵白质。

最初，研讨职员通过让细胞分子机械在看到一个特定的结束暗码子时增加一种非人造的氨基酸。英国医学研讨理事会分子生物学试验室合成生物学家Jason Chin说，虽然这种办法曾经变得加倍简单，但它通常仍旧只能为每种卵白质拔出一种氨基酸。

为了愿望增加更多的氨基酸，Chin和他的共事们试图从新应用通常编码丝氨酸的六个暗码子中的两个。在2019年的一项研讨中，他们使用CRISPR-Cas9基因编纂对象构建了一种称为Syn61的年夜肠杆菌菌株（Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1192-5）。为了制作它，他们在该400万个碱基的基因组中替换了18000多个丝氨酸暗码子。他们用它们的同义暗码子AGC、AGU和UAA别离代替了UCG、UCA和终止暗码子UAG。这象征着丝氨酸仍将被拔出到年夜肠杆菌菌株Syn61的延伸中的卵白质的正确地位。但UCG、UCA和UAG暗码子如今理论上是“空缺”，不再编码卵白质中的任何器械，是以可以从新应用。

通过重写年夜肠杆菌基因组，研讨职员将几种非人造氨基酸整合到细菌卵白质中。图片来自Steve Gschmeissner/Science Source。

这种从新应用恰是Chin和他的共事们如今所实现的。通过研讨年夜肠杆菌菌株Syn61，他们剔除了编码辨认UGC和UCA的转移RNA（tRNA）的基因，并将丝氨酸拔出延伸中的卵白质中。他们还移除了对UAG终止暗码子发生反馈而敞开卵白质合成的化学化合物。然后，他们将编码新型tRNA的基因增加回来，它们只需遇到UGC、UCA或UAG就会拔出非自然氨基酸。末了，他们将这些暗码子增加到基因组中他们愿望呈现非自然氨基酸的处所。他们申报说，这使他们可能在一种卵白质中一次性增加三种非自然氨基酸。他们还可以在每种卵白中增加每种非自然氨基酸的多个拷贝。

美国波士顿学院合成生物学家Abhishek Chatterjee表现，这确切发生了微小的影响。这些变动使得Chin和他的共事们可能将这些新的氨基酸串联成一系列与现有和抗药物十分类似的环状构造。因为有几十种分歧的非人造氨基酸可供选择，有数的组合能够以这种方式拔出。Chatterjee说，这为创立微小的潜在新药物文库翻开了年夜门。Chin弥补说，研讨职员还可以扩大这一战略，从新应用其他过剩的暗码子，将更多的新氨基酸和更多的化学物品种增加到这个组合中。

Liu说，兴许异样乏味的是，年夜规模的基因组变动对通常感化年夜肠杆菌的病毒象征着什么。2013年，研讨职员申报说，从新设计年夜肠杆菌的终止暗码子能够毁坏病毒的复制才能。产生这种环境是由于病毒依靠年夜肠杆菌的人造暗码子来制作功效性卵白质。该战略在阻止病毒感化方面并非满有把握，由于终止暗码子并不常常呈现，并且一些病毒可能环抱这些变动进前进化。

但病毒通常必要在每种卵白质中增加许多丝氨酸。鉴于颠末基因修饰的菌株Syn61在其卵白质构建机械读取UCG或UCA暗码子时不再拔出丝氨酸，病毒无奈让Syn61合胜利能性的病毒卵白质，从而阻止它们在细胞中增殖。Liu表现，这看起来比晚期的办法要持重得多。（100医药网 100yiyao.com）