近日來自美國薩克生物研究所及加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員成功地構(gòu)建出了新的人造細(xì)菌菌株，這些菌株能夠生成多個(gè)位點(diǎn)整合“非天然”氨基酸（除作為生物基礎(chǔ)元件的20種天然氨基酸之外的人造氨基酸）的新型蛋白質(zhì)。這一研究成果有可能被廣泛應(yīng)用于生物過程研究、藥物研發(fā)、藥物合成和生物燃料等領(lǐng)域。相關(guān)研究論文發(fā)表在9月18日出版的《自然化學(xué)生物學(xué)》（Nature Chemical Biology）雜志上。

領(lǐng)導(dǎo)這一研究的是薩克生物研究所杰出青年科學(xué)家王磊（Lei Wang）博士。其早年畢業(yè)于北京大學(xué)化學(xué)系，2002年獲美國加州大學(xué)伯克利分校博士學(xué)位，而后在圣地亞哥分校從事博士后研究工作?，F(xiàn)任薩克生物研究所助理教授。曾獲得2002年全美“大學(xué)發(fā)明家競賽 (Collegiate Inventors Competition) ”最高獎(jiǎng)，2003年“世界杰出青年科學(xué)家獎(jiǎng)（Young Scientist Award,Grand Prize）”，2004年“全球杰出青年創(chuàng)新者（Top Young Innovator,TR100）”獎(jiǎng)，2006年“貝克曼青年學(xué)者（Beckman Young Investigator）”等獎(jiǎng)項(xiàng)。

 “這一研究為我們提供了更多的空間去思考如何利用蛋白質(zhì)合成，”王磊說：“它向我們展示了包括研制出在血液中維持時(shí)間更長的藥物，或以更環(huán)保的方式來制造化合物等各種新的可能。”

2001年，王磊和他的同事們第一次制造出了將非天然氨基酸(Uaas)整合進(jìn)蛋白質(zhì)的細(xì)菌。2007年他們首次在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中應(yīng)用了該技術(shù)。他們制造出了一種“擴(kuò)展遺傳代碼”，用其覆蓋細(xì)胞的遺傳代碼，并指導(dǎo)這些細(xì)胞在蛋白質(zhì)構(gòu)建過程中使用人造氨基酸，從而將人造氨基酸整合進(jìn)蛋白質(zhì)中。

將非天然氨基酸添加進(jìn)蛋白質(zhì)可使蛋白質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而為科研人員未來開展研究，藥物研制及化合物合成提供了強(qiáng)有力的新工具。

例如，王磊和同事們將受到某些顏色光線照射在顯微鏡下會(huì)發(fā)光的非天然氨基酸插入到蛋白質(zhì)中。由于蛋白質(zhì)是執(zhí)行大量細(xì)胞功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，在活細(xì)胞中實(shí)時(shí)觀測蛋白質(zhì)的合成情況將幫助科學(xué)家們更好地解析與疾病發(fā)生和衰老相關(guān)的生物學(xué)機(jī)制。

現(xiàn)在已有人將這些經(jīng)過遺傳修飾的細(xì)菌用于制藥行業(yè)，例如取代動(dòng)物胰腺生成調(diào)控糖尿病患者血糖的合成胰島素。

雖然利用DNA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(qiáng)大的蛋白質(zhì)，但在擴(kuò)展該技術(shù)應(yīng)用范圍的前進(jìn)道路上還存在著一個(gè)重要的障礙即一次只能將一個(gè)非天然氨基酸整合入蛋白質(zhì)中。

為了能將包含非天然氨基酸的指令整合到細(xì)菌遺傳代碼中，王磊和同事利用了在蛋白質(zhì)遺傳藍(lán)圖中的一種特殊代碼序列——終止密碼子。在蛋白質(zhì)合成過程中，終止密碼子會(huì)告訴細(xì)胞機(jī)器停止向形成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)骨架的序列添加氨基酸。

2001年，王磊和同事通過選擇性插入終止密碼子的方式修改了大腸桿菌的遺傳序列， 隨后將一些經(jīng)遺傳工程改造的分子導(dǎo)入到細(xì)菌中，幫助將一個(gè)非天然氨基酸嵌入到終止密碼子內(nèi)。這種改造的細(xì)菌能生成骨架中整合了非天然氨基酸的蛋白質(zhì)。

然而當(dāng)時(shí)存在一個(gè)問題，即一種名為釋放因子1(RF1)的蛋白質(zhì)會(huì)導(dǎo)致整合非天然氨基酸的蛋白質(zhì)合成過早終止。盡管科學(xué)家們能夠?qū)翘烊话被岬慕K止密碼子插入到遺傳序列的多個(gè)位點(diǎn)上，然而RF1卻可使蛋白質(zhì)合成終結(jié)在第一個(gè)終止密碼子，從而無法生成包含多個(gè)非天然氨基酸的長鏈蛋白質(zhì)。

 “要想真正地利用這一技術(shù)，科學(xué)們必須要能夠?qū)Χ嗵幷戏翘烊话被岬牡鞍踪|(zhì)進(jìn)行遺傳工程改造，并高效地合成出這些蛋白質(zhì)，”王磊說：“盡管看起來富有潛力，然而此前卻很難將其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。”

在新研究中，薩克生物生物研究所的研究人員和加州大學(xué)的合作者們對(duì)如何突破這一問題進(jìn)行了探討。由于RF1會(huì)阻礙包含非天然氨基酸的長鏈蛋白質(zhì)生成，科學(xué)家們于是敲除了生成RF1的基因。由于RF1基因被移除會(huì)導(dǎo)致大腸桿菌死亡，于是他們制造出了另一種替代因子——釋放因子2(RF2)來維持基因工程改造細(xì)菌生存。

研究人員最終獲得了一類能夠高效生成多個(gè)位點(diǎn)包含非自然氨基酸蛋白質(zhì)的細(xì)菌菌株。這些合成分子為研制出生物功能遠(yuǎn)超只包含天然氨基酸的蛋白質(zhì)的藥物帶來了新希望。此外，還可將其作為制造從工業(yè)溶劑到生物燃料等任何產(chǎn)品的基礎(chǔ)，幫助解決與以石油為基礎(chǔ)的制造業(yè)和運(yùn)輸業(yè)相關(guān)的各種經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問題。

 “這是我們第一次制造出能夠高效生成多個(gè)位點(diǎn)包含非自然氨基酸蛋白質(zhì)的活性細(xì)菌菌株，”王磊說：“盡管我們還有很長的路要走，但這使得科學(xué)家們朝向在生物工程學(xué)領(lǐng)域使用非天然氨基酸的現(xiàn)實(shí)又進(jìn)了一步。”