女媧造人，關(guān)于自然萬物的無限可能，在神話故事中都有著奇妙的遐思。而隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)承擔(dān)著生命活動(dòng)功能的蛋白質(zhì)，基本都是由20種天然氨基酸組合構(gòu)成的。
然而，氨基酸的種類遠(yuǎn)不止這20種，近年來通過各種研究手段科學(xué)家們得到了各種人工合成的非天然氨基酸。于是科學(xué)家們就開始遐想：能否讓生物體自主編碼這些非天然氨基酸，從而讓生物蛋白的設(shè)計(jì)和功能擁有更多的可能？
這一研究設(shè)想的真實(shí)難度遠(yuǎn)超想象！北京時(shí)間6月7日，浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院林世賢研究員團(tuán)隊(duì)在國際頂級(jí)期刊《科學(xué)》上發(fā)文，探究了一條讓生物體能夠自主編碼非天然氨基酸的全新路徑。這為在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造編碼非天然氨基酸的人造生命體的可能性研究按下了啟動(dòng)鍵。
論文第一作者為浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院的前博士后丁文龍、博士生于微和浙江大學(xué)紹興研究院的博士后陳宇霖，論文的通訊作者為林世賢。
找到盲區(qū)里的“軟肋”
已有研究表明，自然生命體的翻譯系統(tǒng)通過識(shí)別通用的64個(gè)三聯(lián)遺傳“密碼子”，按照基因編碼的信息，將20種天然氨基酸聚合成蛋白質(zhì)，進(jìn)而不斷演化成為復(fù)雜的生命體。
自從發(fā)現(xiàn)了生命體的翻譯規(guī)律，科學(xué)家們就一直在探索，能否通過改寫遺傳密碼表，從而使得生命體能夠編碼20種氨基酸以外的非天然氨基酸？
在64種原有的密碼子中，61種有義密碼子肩負(fù)著合成氨基酸的任務(wù)，3種終止密碼子用于合成進(jìn)程的終止。
61種的有義密碼子理論上不能用于編碼非天然氨基酸，過去的科研團(tuán)隊(duì)一直處于“燈下黑”，在3種終止密碼子中尋找突破，是領(lǐng)域內(nèi)的共識(shí)，但這一研究思路始終存在著關(guān)鍵瓶頸……
部分科學(xué)家嘗試采用四聯(lián)密碼子、非天然堿基等新型無義密碼子實(shí)現(xiàn)遺傳密碼的拓展，但在工作效率、通用領(lǐng)域和便捷性等方面存在著更大的挑戰(zhàn)。
浙大科研團(tuán)隊(duì)通過化學(xué)設(shè)計(jì)合成，合成生物學(xué)重構(gòu)、大數(shù)據(jù)模型預(yù)測(cè)等交叉學(xué)科的研究手段，在61種有義密碼子中發(fā)現(xiàn)在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中使用頻率最低的TCG密碼子是整個(gè)翻譯系統(tǒng)的“軟肋”——一個(gè)新的突破口。
稀有密碼子重編碼體系的原理示意圖
這個(gè)突破口為高效和特異的遺傳編碼非天然氨基酸開辟了新方向。
用“特洛伊木馬”創(chuàng)造新的蛋白質(zhì)
氨基酸的合成需要tRNA和合成酶作為催化中介。要想引入非天然氨基酸，只找到翻譯系統(tǒng)的新突破口是不夠的，必須“挾天子以令諸侯”，挾持這個(gè)TCG稀有密碼子進(jìn)行突破。
“我們團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)，密碼子周圍的序列對(duì)于挾持它很重要。所以我們對(duì)其進(jìn)行了特異性的改造，來更好地挾持它?！绷质蕾t說。
浙大科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)這個(gè)突破口，設(shè)計(jì)了一套“特洛伊木馬”，將非天然氨基酸裝載在自主設(shè)計(jì)的重編碼tRNA上，并利用翻譯系統(tǒng)的“軟肋”植入到目標(biāo)蛋白質(zhì)上。
于是，這個(gè)裝載著非天然氨基酸的“特洛伊木馬”，就成功“混進(jìn)”了翻譯系統(tǒng)的合成車間當(dāng)中，用于在翻譯工廠的幾乎任意蛋白質(zhì)上插入對(duì)應(yīng)的非天然氨基酸。
林世賢說，團(tuán)隊(duì)通過大量的實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)推測(cè)，以提高非天然氨基酸的編碼選擇性，使之既能夠高效地合成非天然氨基酸，又不影響天然序列正常的合成進(jìn)程?！拔覀児苓@個(gè)技術(shù)叫稀有密碼子重編碼技術(shù)，這與所有基于無義密碼子的遺傳密碼拓展技術(shù)有本質(zhì)上的不同！”
其中一位匿名審稿人提到“這項(xiàng)工作是分子生物學(xué)和化學(xué)生物學(xué)的一次偉大創(chuàng)舉，為非天然氨基酸工具包增添了新的內(nèi)容。此外，該方法既目標(biāo)明確又設(shè)計(jì)巧妙，實(shí)驗(yàn)過程扎實(shí)全面，數(shù)據(jù)和結(jié)果引人入勝?！?/p> 未來有望構(gòu)建出全新的生命體？
人與小鼠，都是由同樣的20種天然氨基酸構(gòu)成的。但是，為什么人與小鼠有這么大的差別？
“人體的蛋白質(zhì)在由氨基酸單體聚合后，會(huì)經(jīng)歷乙酰化、磷酸化、泛素化等近千種翻譯后修飾，使之比小鼠、真菌、細(xì)菌等其他生物復(fù)雜得多。”林世賢解釋道，非天然氨基酸的引入，可以使我們更好地理解蛋白質(zhì)修飾是如何發(fā)揮其生物學(xué)功能，為理解復(fù)雜的生命過程提供了便捷的研究手段。
除此之外，利用非天然氨基酸材料實(shí)現(xiàn)新型蛋白質(zhì)藥物的智造，將增強(qiáng)藥物的功能甚至設(shè)計(jì)出全新功能的蛋白質(zhì)藥物，用于加強(qiáng)藥物和靶點(diǎn)的結(jié)合、延長藥物在血液中的半衰期、增強(qiáng)藥物的活體可視性等。
林世賢暢想，在未來能基于這一突破設(shè)計(jì)一種由21種氨基酸、甚至30種氨基酸構(gòu)成的細(xì)胞，并基于此構(gòu)建出一個(gè)全新功能的人造生命體，“我們這個(gè)技術(shù)為做這件‘不可能的’事情打下了一個(gè)很好的基礎(chǔ)，這是大家以前不敢想象的?！?/p>
