Nature：利用34种氨基酸，George Church团队实现大规模蛋白质合成

　　

标准的遗传密码利用64个密码子来编码20种标准氨基酸。全新的遗传密码能够催生新的化学反应、治疗方法和生态系统，但对生物体的基因组进行重编码是一项极其艰巨的挑战。

哈佛医学院著名遗传学家George Church领导的研究团队近日设计出一种更简单、更快速且更大规模的方法来合成全新蛋白质，无需对基因组进行重编码，甚至不需要任何生物体。

这种名为AGENTEX的工具于8月26日发表在《Nature》杂志上。有了这种工具，研究人员能够利用多达34种氨基酸（而非20种）来设计蛋白质，并定制改造合成蛋白质所需的tRNA和核糖体。

他们将这些组件插入到含有细胞成分的实验室混合物（不含实际细胞）中。在此环境下，这些成分会大量产生新的蛋白质，且不会干扰天然的蛋白质合成机制。

第一作者、哈佛医学院的Felix Radford博士表示：“AGENTEX技术让研究人员能够在试管中按需生成全新的遗传密码，并大规模制造远超自然进化水平的蛋白质。与现有方法相比，这种方法更快速、更安全，因为它无需处理活细胞或改变其基因组。”

突然扩展的氨基酸字母表

众所周知，蛋白质由20种氨基酸组合而成。每种氨基酸都由DNA或RNA碱基三联体编码，也就是密码子。但密码子的数量大约是氨基酸的三倍。例如，UCU、UCC、UCA和UCG都编码丝氨酸。这种冗余性表明，许多密码子可以被重编程以合成其他物质。

Church实验室于2013年证明了这一点。不过，全球范围内的进展仍然缓慢且充满挑战，包括密码子重编程会阻碍其他正常的细胞功能，以及需要将遗传改造生物体与自然生物体“隔离”。

AGENTEX实现了34个密码子的定制化，从而实现了技术上的飞跃，让研究人员能够合成含有多达34种不同氨基酸的蛋白质。而且，这一过程是在试管中完成的，无需接触生物体的天然DNA。

共同通讯作者George Church表示：“此前，我们每添加一个新氨基酸就需要十年时间，而这项技术一次性添加了34个氨基酸，且几乎不会对基因组造成损害。”

关于tRNA的一项重大发现

这项研究的基础是一项重大发现，它颠覆了数十年来对tRNA的理解。基因组中的每个密码子都对应着一种tRNA。例如，一种tRNA与UCU配对，并向链中添加一个丝氨酸。

每条tRNA的尾部都带有CCA这一遗传序列。传统观点认为，该位置的任何其他序列都会使tRNA被标记为缺陷tRNA。酶不会向该tRNA提供其携带的氨基酸，而核糖体也不会允许该tRNA进入以传递氨基酸。

出乎意料的是，Radford及其同事发现第一种说法并不成立。酶的确会允许某些尾部携带替代序列的tRNA接收氨基酸。作为AGENTEX项目的一部分，他们开发出一款名为tSCAN的工具，它识别出效果最佳的非标准序列，其中包括CGA。

“我们证明，我们可以改变蛋白质合成系统中最基本的部分之一，而且改造后的系统是有功能的。CCA末端比人们想象的要灵活得多，” Radford谈道。

在此基础上开发的新工具

这一发现具有重要意义，因为当这些非CCA tRNA被添加到细胞中时，天然核糖体不会接受它们。相反，科学家可以设计出仅与携带替代序列（如CGA）的tRNA协同工作的核糖体。这些替代tRNA可携带研究人员想要的任何氨基酸，无论是天然的还是新合成的。

AGENTEX（自动化遗传tRNA扩展系统）提供了一套工作流程，可从头到尾完成这些步骤。该系统包含Church团队编写的一款免费软件，可在Opentrons公司销售的开源机器人上运行。

首先，研究人员可利用AGENTEX设计并生成带有不同非CCA末端序列的tRNA以及任一种氨基酸。之后在细胞裂解液中对AGENTEX进行批量测试，并报告哪些末端序列变体能够成功地将氨基酸正确连接到tRNA上。

在下一阶段，AGENTEX可以选取最成功的tRNA，设计并制备匹配的核糖体，并将所有组分加入更多的裂解液中。在那里，这些组分将制造出全新的蛋白质。

研究团队计划将人工智能整合到AGENTEX中，以便进一步优化蛋白质设计。

广泛的应用前景

研究人员表示，这项研究成果对于设计全新的翻译体系以及合成非标准的生物聚合物具有重要意义，同时有助于人们了解过去和未来可能存在的遗传密码。

此外，考虑到tRNA突变可能会造成糖尿病和听力丧失等疾病，tSCAN为研究tRNA提供了一种新方法，有助于更好地了解并改善人类健康。