這是每一堂生物學入門課上都會教授的一條教條:蛋白質是由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，試圖設計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種基本構建模塊的限制，并努力開發(fā)將新的構建模塊(稱為非規(guī)范氨基酸)放入蛋白質中的方法。
現(xiàn)在，斯克里普斯研究所的科學家們設計了一種新的范例，可以輕松地將非規(guī)范氨基酸添加到蛋白質中。他們的方法發(fā)表在2024年9月11日的《自然生物技術》雜志上，圍繞著使用四個RNA核苷酸(而不是通常的三個)來編碼每個新的氨基酸。
“我們的目標是開發(fā)具有定制功能的蛋白質，用于生物工程和藥物發(fā)現(xiàn)等領域的應用，”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助理教授。“能夠用這種新方法將非規(guī)范氨基酸結合到蛋白質中，使我們更接近這個目標。”
對于一個細胞來說，要產生任何特定的蛋白質，它必須將一條RNA鏈翻譯成一串氨基酸。RNA的每三個核苷酸，稱為密碼子，對應一個氨基酸。但是許多氨基酸有不止一個可能的密碼子;例如，RNA讀取序列UAU和UAC都對應于氨基酸酪氨酸。這是一種叫做轉移rna (trna)的小分子的工作，它將每個氨基酸與相應的密碼子連接起來。
最近，旨在向蛋白質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連接到一個新的氨基酸上;這將導致UAU被細胞讀取為與酪氨酸以外的構建塊相對應。但與此同時，細胞基因組中的每一個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大的策略，但它也可能是一項具有挑戰(zhàn)性的任務，因為它需要大量的資源來構建新的基因組。”“對于生物體本身來說，很難預測這些密碼子變化如何影響基因組穩(wěn)定性和宿主蛋白質的產生。”
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蛋白質的特定位置，而不破壞細胞的正常生物學特性，也不需要編輯整個基因組。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:一個四核苷酸密碼子。
研究小組知道，在一些情況下——比如細菌迅速適應耐藥性——四核苷酸密碼子是自然進化的。因此，在他們的新工作中，研究人員研究了是什么導致細胞使用具有四個核苷酸而不是三個核苷酸的密碼子。他們發(fā)現(xiàn)，四堿基密碼子附近序列的身份是至關重要的——經常使用的密碼子增強了細胞如何讀取四核苷酸密碼子以結合非規(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基因的序列，使其具有一個新的四核苷酸密碼子，以便細胞正確使用。這種方法是有效的:當研究人員用三字母的、經常使用的密碼子包圍一個目標位點，并保持足夠的四核苷酸t(yī)RNA水平時，細胞就會整合任何附著在相應的四字母tRNA上的新氨基酸。研究小組用12個不同的四核苷酸密碼子重復了這個實驗，然后用這項技術設計了100多個新的環(huán)狀肽，稱為大環(huán)，每個環(huán)中含有最多3個非規(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。”“通過利用蛋白質合成的可編程性和這種方法可獲得的構建塊的多樣性，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用。”
他補充說，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，因為它只涉及改變一個基因，而不是細胞的整個基因組。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，因此可以在單個蛋白質中使用更多的非規(guī)范氨基酸。
巴德蘭說:“我們的研究結果表明，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的不同位點。”“我們對我們正在進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，這項技術可以用來重新設計現(xiàn)有的蛋白質，或者創(chuàng)造全新的蛋白質，這些蛋白質在包括醫(yī)藥、制造業(yè)和化學傳感在內的一系列領域都有用途。
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-9/20240911183452576.htm） | 
