“冷門”密碼子編碼為非天然蛋白質制造提供新平臺

發布時間：2024-06-07 11:41 原文鏈接： “冷門”密碼子編碼為非天然蛋白質制造提供新平臺

僅僅用20種氨基酸“積木”就排列組合出千千萬萬種蛋白質，從而演繹出豐富多彩的生命圖景，這正是大自然的“造化”。日前，浙江大學生命科學研究院研究員林世賢團隊發明了“稀有密碼子重編碼技術”，嘗試讓細胞調用20種以外的非天然氨基酸來制造蛋白質。

“稀有密碼子重編碼技術”（RCR）與“基因密碼子拓展技術”（GCE）的原理差異。（浙大供圖）

研究論文于6月7日發表于《科學》雜志。這項突破引起了學術界的廣泛關注。“這一技術為人們更加自由、更高效地設計蛋白質藥物奠定了基礎；同時，也為研究非天然氨基酸的生命機制提供了平臺與工具。”論文通訊作者林世賢認為。

做僅靠20種天然氨基酸做不了的事

細胞中組裝蛋白質的“工廠”在核糖體，其中的生產過程被稱為“蛋白質翻譯”。它有點類似于人類的語言系統：攜帶遺傳信息的mRNA（信使RNA）上排列的堿基像一個個“字母”，每3個堿基形成一個密碼子“單詞”，它們由tRNA（轉運RNA）和合成酶“翻譯”成氨基酸“單詞”，一個個氨基酸連接起來就形成了蛋白質“句子”。

經過數十億年的演化，地球上的幾乎所有生物都“參照”同一張密碼子表。從細菌到大象，從爬蟲到人類，表上的氨基酸“單詞”就這固定的20種。密碼表上的谷氨酸等天然氨基酸可能被細胞捕獲進入翻譯過程，組成蛋白質的一級結構；而非天然氨基酸則可能在翻譯后“修飾”到蛋白質分子上。

“蛋白質的多樣性是生物功能多樣性的基礎。”林世賢說，人和小鼠在基因組規模上差別不大，但是人類的蛋白質的修飾和種類遠比小鼠復雜，這可能是人類具有學習、思考、情感等更復雜功能與行為的原因。

“我們在想，能否在蛋白質翻譯過程中就‘收編’非天然氨基酸，做僅靠20種天然氨基酸做不了的事。”林世賢說，“在翻譯階段增加一點點化學復雜度，可能會產生海量的生物學可能性，帶來新的性狀和功能，我們可以據此創造新的功能型蛋白質……甚至生命形式。”

瞄準最“冷門”的密碼子

怎么把“編外”氨基酸放到蛋白質主鏈上去呢？當林世賢像黑客一樣打量這張密碼子表時，他有了不一樣的想法：“找一處新的漏洞‘黑’進去。” 在林世賢的眼中，稀有密碼子TCG可以作為“黑”入蛋白質翻譯系統的 “軟肋”。他的設想是：“讓‘閑置’的密碼子發揮點其他作用，在嚴密的‘工廠’內干點‘私活’。” 林世賢稱這一方案為“稀有密碼子重編碼技術”。

“黑客”系統的布設情況是，首先通過遺傳手段，讓細胞內源性產生重編碼tRNA和與之協同的合成酶，它們的任務是結合并催化轉化外源非天然氨基酸；然后，在細胞的外部環境中加入“待入編”的非天然氨基酸。

林世賢說，核糖體是一個開放的系統，成千上萬的氨基酸在等待被tRNA和合成酶識別后編碼，這時要確保當核糖體遇到TCG這一密碼子時，非天然氨基酸的競爭力要超過絲氨酸,“在質量和數量上都要占優勢。”為此，研究人員通過大數據模型預測和系統工程改造，得到了高質量的重編碼tRNA和合成酶；而數量的優勢則通過大量添加外源的非天然氨基酸達成。

在這項研究中，曾經的“冷門”密碼子表現出令人驚嘆的效率，對于大多數測試的模型和功能蛋白質，其編碼非天然氨基酸的效率達到80-90%，接近于天然氨基酸。此外，這一技術還強調了過程的“正交性”，也就是說，“這種操作繞過了翻譯系統自帶的糾錯機制，以一種悄無聲息的方式進入，并不會引起整個翻譯系統的混亂。”林世賢說。

“‘漏洞’、‘接口’和‘軟件’都是我們發現和設計的。”林世賢對他設計的“黑客”系統感到自豪。在論文中，研究人員展示了在哺乳動物細胞中編碼含有6個非天然氨基酸的蛋白質，或者編碼4種不同非天然氨基酸的蛋白質，并且，編碼的位置可以精確地設定。

蛋白質設計迎來“爆點”

“設計藥物、研究機理、探索新的生命形式。”談及稀有密碼子重編碼技術的應用場景，林世賢不假思索地回答。

當非天然氨基酸可以高效地進入蛋白質一級結構，這意味著我們在設計蛋白質分子時獲得了一個嶄新的維度。讓我們可以更加自由地引入特定功能的氨基酸，設計更多的非天然氨基酸藥物。“這是我未來幾年最感興趣的方向。”林世賢說，“我們或許可以把一些蛋白質的功能推到極致。”

同時，該項技術還為研究蛋白質修飾提供新的“生物元件”和工具。更為久遠的，就是探索新的生命形式。 “我們也可以大膽想象，非天然氨基酸能促成新的生命形式，比如，一種特別抗凍的細胞？一種特別長壽的細胞？”當然，這還是一件比較遙遠的事。