美國科學(xué)家通過將非天然的氨基酸（除20種用作生物基礎(chǔ)元件的天然氨基酸之外的人造氨基酸）整合入蛋白質(zhì)的多處，成功制造出了新的人造細菌菌株，其可廣泛應(yīng)用于藥物研發(fā)、藥物合成、生物燃料等領(lǐng)域。研究發(fā)表在9月18日出版的《自然—化學(xué)生物學(xué)》雜志上。
該研究的、加州薩克生物研究所化學(xué)生物學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)實驗室的助理教授王磊（音譯）表示：“研究向我們展示了新的可能性，包括研制出能在血管中持續(xù)更長時間的藥物，或采用一種更環(huán)保的方式制造化學(xué)物質(zhì)等。”
添加非天然氨基酸讓蛋白質(zhì)功能更強
2001年，王磊和同事制造出了蛋白質(zhì)中整合了非天然氨基酸的細菌；2007年，他們在哺乳動物細胞上運用了這項技術(shù)。首先，他們制造出了一個“擴展的遺傳代碼”，并用其覆蓋哺乳動物細胞的遺傳代碼，并指導(dǎo)細胞在蛋白質(zhì)的構(gòu)建過程中使用人造氨基酸，從而將人造氨基酸整合進蛋白質(zhì)中。
王磊解釋道，添加非天然氨基酸會改變蛋白質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，在藥物研制以及化學(xué)品制造中，新蛋白質(zhì)會讓得到的產(chǎn)品擁有更加豐富而多樣的功能。
例如，王磊和同事將受到某些顏色的光照時在顯微鏡下會發(fā)光的非天然氨基酸插入蛋白質(zhì)中，便可以實時觀測到細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成情況，因為蛋白質(zhì)是大部分細胞執(zhí)行其功能的基礎(chǔ)，這樣就有助于科學(xué)家們描述與疾病或衰老有關(guān)的生物學(xué)機制。
現(xiàn)在，已有人使用經(jīng)過基因修改的細菌來制藥，例如用其來合成胰島素以取代動物胰腺，供糖尿病患者調(diào)節(jié)其血糖濃度。
將多個非天然氨基酸嵌入蛋白質(zhì)中
雖然利用DNA（脫氧核糖核酸）重組技術(shù)將非天然氨基酸整合入蛋白質(zhì)中可得到功能更加強大的蛋白質(zhì)，但在擴展該技術(shù)應(yīng)用范圍的前進道路上存在著一個“攔路虎”——一次只能將一個非天然氨基酸整合入蛋白質(zhì)中。
為了將一個整合過的非天然氨基酸的指令嵌入細菌的遺傳代碼中，王磊和同事利用了終止密碼子——蛋白質(zhì)遺傳藍圖中特殊的代碼序列。在蛋白質(zhì)的制造過程中，終止密碼子會告訴細胞機器停止朝形成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)骨架的序列增加氨基酸。
2001年，王磊和同事修改了大腸桿菌的遺傳序列，選擇性地將一個終止密碼子嵌入其遺傳序列中，同時，他們將轉(zhuǎn)基因分子引入細菌體內(nèi)，轉(zhuǎn)基因分子將一個非天然氨基酸嵌入終止密碼子內(nèi)，這使細菌能產(chǎn)生有非天然氨基酸集成于其骨架內(nèi)的蛋白質(zhì)。
問題在于，名為釋放因子1（RF1）的蛋白質(zhì)會阻止包含非天然氨基酸的蛋白質(zhì)產(chǎn)生。盡管科學(xué)家們能為非天然氨基酸將終止密碼子插在遺傳序列的多個地方，然而，釋放因子會在*個終止密碼子那兒讓蛋白質(zhì)死亡，以預(yù)防包含多個非天然氨基酸的長蛋白質(zhì)產(chǎn)生。
“為了真正地利用該技術(shù)，科學(xué)家需要能對多處含有非天然氨基酸的蛋白質(zhì)進行遺傳修改，地制造出這些蛋白質(zhì)。”王磊說，“這一點極富潛力，但此前還沒有變成現(xiàn)實。”
在研究中，薩克生物研究所的科學(xué)家和加州大學(xué)的同行解決了這個問題。既然RF1會抑制包含多個非天然氨基酸的長蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，所以，科學(xué)家們剔除了產(chǎn)生RF1的基因。但RF1基因被移除后，大腸桿菌就會死亡，因此科學(xué)家們制造出了RF1的“替身”釋放因子2（RF2），RF2能讓剔除RF1后的細菌“*”。結(jié)果，科學(xué)家們得到了一個能有效地將非天然氨基酸整合在多處蛋白質(zhì)的細菌。
人造細菌具有巨大應(yīng)用潛力
這些合成出來的細菌在藥物研發(fā)領(lǐng)域擁有巨大的潛力，據(jù)此研制出的藥物擁有的生物學(xué)功能將遠超只包含天然氨基酸的蛋白質(zhì)。這些分子或許也能作為基礎(chǔ)元件，制造從工業(yè)溶劑到生物燃料在內(nèi)的任何產(chǎn)品，幫助解決與石油生產(chǎn)和運輸有關(guān)的經(jīng)濟和環(huán)境問題。
“這是我們制造出一個可用的、擁有多處包含非天然氨基酸的蛋白質(zhì)的細菌菌株。”王磊說，“盡管這項技術(shù)還有改進空間，但這使科學(xué)家們在生物工程學(xué)領(lǐng)域使用非天然氨基酸幾乎就快成為現(xiàn)實了。”

來源：科技日報