這是每一堂生物學(xué)入門課上都會(huì)教授的一條教條:蛋白質(zhì)是由20種不同的氨基酸組合而成的，它們像單詞一樣排列成不同的序列。但是，試圖設(shè)計(jì)具有新功能的生物分子的研究人員長期以來一直感到這20種基本構(gòu)建模塊的限制，并努力開發(fā)將新的構(gòu)建模塊(稱為非規(guī)范氨基酸)放入蛋白質(zhì)中的方法。
現(xiàn)在，斯克里普斯研究所的科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的范例，可以輕松地將非規(guī)范氨基酸添加到蛋白質(zhì)中。他們的方法發(fā)表在2024年9月11日的《自然生物技術(shù)》雜志上，圍繞著使用四個(gè)RNA核苷酸(而不是通常的三個(gè))來編碼每個(gè)新的氨基酸。
“我們的目標(biāo)是開發(fā)具有定制功能的蛋白質(zhì)，用于生物工程和藥物發(fā)現(xiàn)等領(lǐng)域的應(yīng)用，”資深作者艾哈邁德巴德蘭博士說，他是斯克里普斯研究所的化學(xué)助理教授。“能夠用這種新方法將非規(guī)范氨基酸結(jié)合到蛋白質(zhì)中，使我們更接近這個(gè)目標(biāo)。”
對(duì)于一個(gè)細(xì)胞來說，要產(chǎn)生任何特定的蛋白質(zhì)，它必須將一條RNA鏈翻譯成一串氨基酸。RNA的每三個(gè)核苷酸，稱為密碼子，對(duì)應(yīng)一個(gè)氨基酸。但是許多氨基酸有不止一個(gè)可能的密碼子;例如，RNA讀取序列UAU和UAC都對(duì)應(yīng)于氨基酸酪氨酸。這是一種叫做轉(zhuǎn)移rna (trna)的小分子的工作，它將每個(gè)氨基酸與相應(yīng)的密碼子連接起來。
最近，旨在向蛋白質(zhì)中添加全新氨基酸的研究人員創(chuàng)造了重新分配密碼子的策略。例如，UAU密碼子可以通過改變UAU的tRNA連接到一個(gè)新的氨基酸上;這將導(dǎo)致UAU被細(xì)胞讀取為與酪氨酸以外的構(gòu)建塊相對(duì)應(yīng)。但與此同時(shí)，細(xì)胞基因組中的每一個(gè)UAU都需要變成UAC，以防止新的氨基酸被整合到數(shù)千種不屬于它的其他蛋白質(zhì)中。
巴德蘭說:“通過全基因組重新編碼來創(chuàng)造自由密碼子可能是一種強(qiáng)大的策略，但它也可能是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)樗枰罅康馁Y源來構(gòu)建新的基因組。”“對(duì)于生物體本身來說，很難預(yù)測這些密碼子變化如何影響基因組穩(wěn)定性和宿主蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。”
巴德蘭和他的同事們希望創(chuàng)造一種高效的即插即用策略，只將選定的非規(guī)范氨基酸整合到目標(biāo)蛋白質(zhì)的特定位置，而不破壞細(xì)胞的正常生物學(xué)特性，也不需要編輯整個(gè)基因組。這意味著使用尚未分配到氨基酸上的tRNA。他們的解決方案是:一個(gè)四核苷酸密碼子。
研究小組知道，在一些情況下——比如細(xì)菌迅速適應(yīng)耐藥性——四核苷酸密碼子是自然進(jìn)化的。因此，在他們的新工作中，研究人員研究了是什么導(dǎo)致細(xì)胞使用具有四個(gè)核苷酸而不是三個(gè)核苷酸的密碼子。他們發(fā)現(xiàn)，四堿基密碼子附近序列的身份是至關(guān)重要的——經(jīng)常使用的密碼子增強(qiáng)了細(xì)胞如何讀取四核苷酸密碼子以結(jié)合非規(guī)范氨基酸。
巴德蘭的研究小組隨后測試了他們是否可以改變單個(gè)基因的序列，使其具有一個(gè)新的四核苷酸密碼子，以便細(xì)胞正確使用。這種方法是有效的:當(dāng)研究人員用三字母的、經(jīng)常使用的密碼子包圍一個(gè)目標(biāo)位點(diǎn)，并保持足夠的四核苷酸t(yī)RNA水平時(shí)，細(xì)胞就會(huì)整合任何附著在相應(yīng)的四字母tRNA上的新氨基酸。研究小組用12個(gè)不同的四核苷酸密碼子重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，然后用這項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)了100多個(gè)新的環(huán)狀肽，稱為大環(huán)，每個(gè)環(huán)中含有最多3個(gè)非規(guī)范氨基酸。
巴德蘭說:“這些環(huán)狀肽讓人想起人們可能在自然界中發(fā)現(xiàn)的生物活性小分子。”“通過利用蛋白質(zhì)合成的可編程性和這種方法可獲得的構(gòu)建塊的多樣性，我們可以創(chuàng)造出新的自然小分子，這些小分子將在藥物發(fā)現(xiàn)中具有令人興奮的應(yīng)用。”
他補(bǔ)充說，與以前的非規(guī)范氨基酸整合方法相比，這種新方法更容易使用，因?yàn)樗簧婕案淖円粋€(gè)基因，而不是細(xì)胞的整個(gè)基因組。此外，由于四核苷酸密碼子比三核苷酸密碼子可能存在更多的非規(guī)范氨基酸，因此可以在單個(gè)蛋白質(zhì)中使用更多的非規(guī)范氨基酸。
巴德蘭說:“我們的研究結(jié)果表明，人們現(xiàn)在可以輕松有效地將非規(guī)范氨基酸整合到各種蛋白質(zhì)的不同位點(diǎn)。”“我們對(duì)我們正在進(jìn)行的工作的這些可能性感到興奮，并為更廣泛的社區(qū)提供這種能力。”
他指出，這項(xiàng)技術(shù)可以用來重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有的蛋白質(zhì)，或者創(chuàng)造全新的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)在包括醫(yī)藥、制造業(yè)和化學(xué)傳感在內(nèi)的一系列領(lǐng)域都有用途。
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-9/20240911183452576.htm） | 
