华人杰青Nature子刊突破性成果：人造细菌为我所用

近日来自美国萨克生物研究所及加州大学圣地亚哥分校的研究人员成功地构建出了新的人造细菌菌株，这些菌株能够生成多个位点整合“非天然”氨基酸的新型蛋白质。

　　

生物通报道  近日来自美国萨克生物研究所及加州大学圣地亚哥分校的研究人员成功地构建出了新的人造细菌菌株，这些菌株能够生成多个位点整合“非天然”氨基酸（除作为生物基础元件的20种天然氨基酸之外的人造氨基酸）的新型蛋白质。这一研究成果有可能被广泛应用于生物过程研究、药物研发、药物合成和生物燃料等领域。相关研究论文发表在9月18日出版的《自然化学生物学》（Nature Chemical Biology）杂志上。

领导这一研究的是萨克生物研究所杰出青年科学家王磊（Lei Wang）博士。其早年毕业于北京大学化学系，2002年获美国加州大学伯克利分校博士学位，而后在圣地亚哥分校从事博士后研究工作。现任萨克生物研究所助理教授。曾获得2002年全美“大学发明家竞赛 (Collegiate Inventors Competition) ”最高奖，2003年“世界杰出青年科学家奖（Young Scientist Award,Grand Prize）”，2004年“全球杰出青年创新者（Top Young Innovator,TR100）”奖，2006年“贝克曼青年学者（Beckman Young Investigator）”等奖项。

 “这一研究为我们提供了更多的空间去思考如何利用蛋白质合成，”王磊说：“它向我们展示了包括研制出在血液中维持时间更长的药物，或以更环保的方式来制造化合物等各种新的可能。”

2001年，王磊和他的同事们第一次制造出了将非天然氨基酸(Uaas)整合进蛋白质的细菌。2007年他们首次在哺乳动物细胞中应用了该技术。他们制造出了一种“扩展遗传代码”，用其覆盖细胞的遗传代码，并指导这些细胞在蛋白质构建过程中使用人造氨基酸，从而将人造氨基酸整合进蛋白质中。

将非天然氨基酸添加进蛋白质可使蛋白质的化学性质发生改变，从而为科研人员未来开展研究，药物研制及化合物合成提供了强有力的新工具。

例如，王磊和同事们将受到某些颜色光线照射在显微镜下会发光的非天然氨基酸插入到蛋白质中。由于蛋白质是执行大量细胞功能的物质基础，在活细胞中实时观测蛋白质的合成情况将帮助科学家们更好地解析与疾病发生和衰老相关的生物学机制。

现在已有人将这些经过遗传修饰的细菌用于制药行业，例如取代动物胰腺生成调控糖尿病患者血糖的合成胰岛素。

虽然利用DNA重组技术将非天然氨基酸整合入蛋白质中可得到功能更加强大的蛋白质，但在扩展该技术应用范围的前进道路上还存在着一个重要的障碍即一次只能将一个非天然氨基酸整合入蛋白质中。

为了能将包含非天然氨基酸的指令整合到细菌遗传代码中，王磊和同事利用了在蛋白质遗传蓝图中的一种特殊代码序列——终止密码子。在蛋白质合成过程中，终止密码子会告诉细胞机器停止向形成蛋白质结构骨架的序列添加氨基酸。

2001年，王磊和同事通过选择性插入终止密码子的方式修改了大肠杆菌的遗传序列， 随后将一些经遗传工程改造的分子导入到细菌中，帮助将一个非天然氨基酸嵌入到终止密码子内。这种改造的细菌能生成骨架中整合了非天然氨基酸的蛋白质。

然而当时存在一个问题，即一种名为释放因子1(RF1)的蛋白质会导致整合非天然氨基酸的蛋白质合成过早终止。尽管科学家们能够将包含非天然氨基酸的终止密码子插入到遗传序列的多个位点上，然而RF1却可使蛋白质合成终结在第一个终止密码子，从而无法生成包含多个非天然氨基酸的长链蛋白质。

 “要想真正地利用这一技术，科学们必须要能够对多处整合非天然氨基酸的蛋白质进行遗传工程改造，并高效地合成出这些蛋白质，”王磊说：“尽管看起来富有潜力，然而此前却很难将其变为现实。”

在新研究中，萨克生物生物研究所的研究人员和加州大学的合作者们对如何突破这一问题进行了探讨。由于RF1会阻碍包含非天然氨基酸的长链蛋白质生成，科学家们于是敲除了生成RF1的基因。由于RF1基因被移除会导致大肠杆菌死亡，于是他们制造出了另一种替代因子——释放因子2(RF2)来维持基因工程改造细菌生存。

研究人员最终获得了一类能够高效生成多个位点包含非自然氨基酸蛋白质的细菌菌株。这些合成分子为研制出生物功能远超只包含天然氨基酸的蛋白质的药物带来了新希望。此外，还可将其作为制造从工业溶剂到生物燃料等任何产品的基础，帮助解决与以石油为基础的制造业和运输业相关的各种经济和环境问题。

 “这是我们第一次制造出能够高效生成多个位点包含非自然氨基酸蛋白质的活性细菌菌株，”王磊说：“尽管我们还有很长的路要走，但这使得科学家们朝向在生物工程学领域使用非天然氨基酸的现实又进了一步。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

RF1 knockout allows ribosomal incorporation of unnatural amino acids at multiple sites

Stop codons have been exploited for genetic incorporation of unnatural amino acids (Uaas) in live cells, but their low incorporation efficiency, which is possibly due to competition from release factors, limits the power and scope of this technology. Here we show that the reportedly essential release factor 1 (RF1) can be knocked out from Escherichia coli by 'fixing' release factor 2 (RF2). The resultant strain JX33 is stable and independent, and it allows UAG to be reassigned from a stop signal to an amino acid when a UAG-decoding tRNA-synthetase pair is introduced. Uaas were efficiently incorporated at multiple UAG sites in the same gene without translational termination in JX33. We also found that amino acid incorporation at endogenous UAG codons is dependent on RF1 and mRNA context, which explains why E. coli tolerates apparent global suppression of UAG. JX33 affords a unique autonomous host for synthesizing and evolving new protein functions by enabling Uaa incorporation at multiple sites.