斯克里普斯研究所的科学家们发明了一种使用四核苷酸密码子将非规范氨基酸整合到蛋白质中的方法，扩大了蛋白质工程的可能性，而不需要全基因组编辑。这种方法已经在创造新的多肽中进行了测试，并在各个领域具有应用潜力。
在每一堂生物学入门课上，都有一个基本的概念：蛋白质是由20种不同的氨基酸组合而成的，它们像单词一样按不同的顺序排列。然而，长期以来，旨在设计具有新功能的生物分子的研究人员发现，这20种构建模块具有限制性。因此，他们一直在寻找将新成分 —— 即所谓的非规范氨基酸 —— 整合到蛋白质中的方法。
现在，斯克里普斯研究所的科学家们设计了一种新的范例，可以轻松地将非规范氨基酸添加到蛋白质中。他们的方法发表在2024年9月11日的《自然生物技术》杂志上，围绕着使用四个RNA核苷酸（而不是通常的三个）来编码每个新的氨基酸。
蛋白质工程的新途径
“我们的目标是开发具有定制功能的蛋白质，用于生物工程和药物发现等领域的应用，”资深作者艾哈迈德巴德兰博士说，他是斯克里普斯研究所的化学助理教授。“能够用这种新方法将非规范氨基酸结合到蛋白质中，使我们更接近这个目标。”
对于一个细胞来说，要产生任何特定的蛋白质，它必须将一条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。但是许多氨基酸有不止一个可能的密码子；例如，RNA读取序列UAU和UAC都对应于氨基酸酪氨酸。这是一种叫做转移rna（trna）的小分子的工作，它将每个氨基酸与相应的密码子连接起来。
最近，旨在向蛋白质中添加全新氨基酸的研究人员创造了重新分配密码子的策略。例如，UAU密码子可以通过改变UAU的tRNA连接到一个新的氨基酸上；这将导致UAU被细胞读取为与酪氨酸以外的构建块相对应。但与此同时，细胞基因组中的每一个UAU都需要变成UAC，以防止新的氨基酸被整合到数千种不属于它的其他蛋白质中。
巴德兰说：“通过全基因组重新编码来创造自由密码子可能是一种强大的策略，但它也可能是一项具有挑战性的任务，因为它需要大量的资源来构建新的基因组。对于生物体本身来说，很难预测这些密码子变化如何影响基因组稳定性和宿主蛋白质的产生。”
引入四核苷酸密码子
巴德兰和他的同事们希望创造一种高效的即插即用策略，只将选定的非规范氨基酸整合到目标蛋白质的特定位置，而不破坏细胞的正常生物学特性，也不需要编辑整个基因组。这意味着使用尚未分配到氨基酸上的tRNA。他们的解决方案是：一个四核苷酸密码子。
研究小组知道，在一些情况下 —— 比如细菌迅速适应耐药性 —— 四核苷酸密码子是自然进化的。因此，在他们的新工作中，研究人员研究了是什么导致细胞使用具有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是至关重要的 —— 经常使用的密码子增强了细胞如何读取四核苷酸密码子以结合非规范氨基酸。
巴德兰的研究小组随后测试了他们是否可以改变单个基因的序列，使其具有一个新的四核苷酸密码子，以便细胞正确使用。这种方法是有效的：当研究人员用三字母的、经常使用的密码子包围一个目标位点，并保持足够的四核苷酸tRNA水平时，细胞就会整合任何附着在相应的四字母tRNA上的新氨基酸。研究小组用12个不同的四核苷酸密码子重复了这个实验，然后用这项技术设计了100多个新的环状肽，称为大环，每个环中含有最多3个非规范氨基酸。
巴德兰说：“这些环状肽让人想起人们可能在自然界中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中具有令人兴奋的应用。”
新方法的好处
他补充说，与以前的非规范氨基酸整合方法相比，这种新方法更容易使用，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比三核苷酸密码子可能存在更多的非规范氨基酸，因此可以在单个蛋白质中使用更多的非规范氨基酸。
巴德兰说：“我们的研究结果表明，人们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点。我们对我们正在进行的工作的这些可能性感到兴奋，并为更广泛的社区提供这种能力。”
他指出，这项技术可以用来重新设计现有的蛋白质，或者创造全新的蛋白质，这些蛋白质在包括医药、制造业和化学传感在内的一系列领域都有用途。
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