科学家是如何入侵遗传密码给蛋白质新的权力

地球上生命的历史的大部分时间里,基因信息进行指定的代码只是20种氨基酸。氨基酸是蛋白质的基石,做最繁重的细胞;其侧链控制蛋白质折叠、交互和化学活动。通过限制可用的侧链,自然有效地限制的各种反应,蛋白质可以执行。

作为一个博士生在1980年代,彼得·舒尔茨发现自己自然想知道为什么以这种方式限制自己,打算绕过这个限制。几年后,作为一个大学教授加州伯克利,舒尔茨和他的团队成功地通过摆弄机械的蛋白质合成。虽然局限于试管中,标志着一个关键的早期成功的工作努力破解遗传代码。

自那时以来,许多研究人员随后舒尔茨的脚步,调整细胞蛋白质改变现有大分子和建设机制,从全新的构建块创建聚合物。由此产生的分子可以用于研究和发展的疗法和材料。但这是一个艰难的过程,因为蛋白质合成是一个至关重要的细胞功能,不容易改变。

“这是一个刺激,”杰森说下巴,合成和化学生物学家在剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室,英国。“从一开始,我认为很明显,我们正在做真正特别的东西。”

从体外来体内

要理解为什么,我们不得不考虑如何蛋白质(见“蛋白质黑客”)。

在转录过程中,DNA复制到指令RNA,然后翻译成蛋白质称为核糖体的分子机器。每个基地的三联体RNA消息(腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和尿嘧啶)代表一个词,或密码子的基因代码。总共有64字- 61编码的氨基酸和3核糖体停止信号。

氨基酸是由转移为核糖体rna(图示),每一种都对应于一个互补的密码子。酶被称为氨酰合成酶夫妇的tRNA同源的氨基酸。

使该系统接受自然的或非规范,氨基酸在试管中几个关键的调整要求。首先,舒尔茨的团队设计了一种化学附加非自然氨基酸tRNA,可以识别的三个停止密码子。然后引入了一个终止密码子为青霉素抗性蛋白的基因,β-lactamase。使用这些修改,研究人员探索不同的非规范蛋白质变异酶活性的影响¹。

但那是在试管中。非规范氨基酸合并到活细胞,团队必须补充平移装置在不改变它。他们通过识别和修改转运rna和氨酰合成酶bio-orthogonal到宿主细胞,也就是说,不能识别(认可)的其他部分细胞的转化机械。

如何破解基因组

“人们认为这将是非常困难的,”舒尔茨说,他现在是总统和首席执行官拉霍亚的斯克里普斯研究加州。“幸运的是,我们天真地认为,我们可以做它。”(舒尔茨建立了几家公司,包括Ambrx位于拉霍亚发展biotherapeutics使用非规范氨基酸。他目前Ambrx科学顾问委员会的成员。)

最终,舒尔茨的团队决定一双tRNA-synthetase archaeon,产甲烷球菌属jannaschii,不容易识别的图示或合成酶大肠杆菌他们计划修改细菌。团队优化分子选择性新氨基酸。2001年,研究人员设计该系统大肠杆菌氨基酸,使细胞将非标准机器使用自己的转译成蛋白质²。

“这可能是遗传密码的扩张的开始在体内的下巴,说:“以前是舒尔茨的实验室的博士后。

越来越多的工具包

舒尔茨的团队和其他人使用这种基因编码方法超过200标准氨基酸成蛋白质,提供一个强大的工具来研究蛋白质的结构和功能。例如,科学家可以引入荧光标记或其他标签成蛋白质,或进行photocaging实验中,蛋白质是失效(笼)化学组,可以删除。

科学家也超越了E。杆菌黑客的遗传编码线虫,果蝇,植物,甚至老鼠。下巴,以及迈克尔·黑斯廷斯,剑桥大学的神经学家和他们的同事们,例如,砍的tRNA和tRNA合成酶氨基酸pyrrolysine将一个名为炔赖氨酸的氨基酸N⁶- ((2-propynyloxy)羰基)l赖氨酸(AlkK)成蛋白质。他们使用它作为一个开关打开和关闭基因在小鼠大脑细胞。研究人员删除一个关键蛋白质参与调节昼夜节律——每日周期控制人体的生物钟,引入了一个新版本的基因进入细胞,可以只翻译AlkK的存在。因为老鼠无法使自己氨基酸,研究人员可以通过添加或删除控制他们的昼夜节律的氨基酸从啮齿动物的饮用水³。

对病毒的防御和biocontainment合成细菌基因组升级

舒尔茨一直在使用,扩大遗传密码问生物会是什么样子,如果他们有超过20种氨基酸。在一项研究中,他的团队创造了一个图书馆的变体大肠杆菌高丝氨酸O-succinyltransferase,一种酶参与氨基酸的生物合成蛋氨酸对温度特别敏感,每一个密码子在酶催化中心与非规范取代氨基酸,(p-benzoylphenyl)丙氨酸(pBzF)。研究小组发现了一个变种,是稳定高达21°C以上典型的范围——一个壮举,他们归因于pBzF之间的化学键的形成和另一个氨基酸⁴。

下巴,舒尔茨和其他研究人员也开始将这一技术应用到治疗的发展。王磊,化学生物学家加州大学旧金山,例如,发展蛋白质药物与其他生物分子形成共价键。

蛋白质通常通过相对较弱,与其他分子非共价相互作用,但共价键可以增强他们的力量,王说。2020年,他的团队将非规范氨基酸fluorosulfate -lPD-1酪氨酸(魔术师率领),免疫检查点蛋白质,有助于抑制人体的免疫反应,创建一个抗肿瘤药物。通常,PD-1在T细胞之间的交互,以及PD-L1肿瘤细胞,抑制了免疫应答,使肿瘤逃避免疫监视。当王的团队注入FSY-containing PD-1到老鼠的道与人类癌症细胞,蛋白质形成不可逆共价键PD-L1,导致肿瘤缩小⁵。王是一个公司的科学顾问Enlaza疗法在拉霍亚,开发了这种治疗策略。

与此同时,在北京,刘涛在北京大学化学和合成生物学家,和他的团队已经把基因扩张细胞和基因疗法。在2021年的一项研究中,刘和他的团队报告工程细胞,合成氨基酸的存在O甲基酪氨酸,表达胰岛素⁶。当植入糖尿病小鼠,研究人员可以控制通过控制多少动物的血糖水平O甲基酪氨酸他们分发在动物的食物。

扩展应用程序

除了编码新的氨基酸,一个应用程序扩展遗传密码的基因隔离。与61年20种氨基酸的密码子,遗传密码是多余的,这意味着多个密码子编码相同的氨基酸。几乎是普遍的。通过替换给定的所有实例为一个同义密码子和删除原来的密码子使用的机械,研究人员能有效呈现细胞免疫外源DNA——包括病原体。

在2022年的一项研究中下巴和他的研究小组证明了这一概念;他们创建了一个大肠杆菌突变体中两个六个丝氨酸的基码重新分配其他氨基酸的编码,然后他们删除了图示,认识到原始码丝氨酸。他们进一步调整系统,以确保病毒无法使用自己的图示,如果他们有他们。由此产生的细胞从其他细菌抵抗水平基因转移,以及病毒感染⁷。另一组由合成生物学家乔治教会在剑桥的哈佛大学,麻省,类似的基因防火墙的方法适用于创建phage-resistant细菌在今年早些时候发表的一篇论文⁸。

研究人员也可以使用修改后的基因代码创建聚合物。2021年,下巴的团队砍遗传密码合成聚合物,甚至人为的圆形结构称为macrocycle,大肠杆菌⁹。现在,下巴希望进一步推进这一技术来创建细胞工厂能生产出全新的聚合物,如塑料。像蛋白质,长串的单体组成的塑料。但是,尽管遗传密码决定蛋白质的氨基酸序列,不存在等价系统人工聚合物。

“如果你可以编码扩展的一组蛋白质以同样的方式,我们可以,那么我们可以把细胞变成生活工厂编码合成的聚合物材料从新药,”秦说。(下巴成立了一个公司,建设性的生物藏红花《瓦尔登湖》的英国,为了达到这一目标。)

不断超越自己

密码重置手术之外,研究人员还可以增加可用蛋白质构建块的数量通过扩大核酸字母表从四个基地6个,从而增加可能的三联体密码子的数量到216年。2014年,生化学家弗洛伊德Romesberg领导的研究小组,那时他还在斯克里普斯研究,创建一个报告菌株six-base基因字母可以成功复制¹⁰。集团随后表明,这些细胞可以利用他们扩大DNA产生蛋白质氨基酸包含非规范¹¹。

NatureTech中心

另一种方法是扩大一个密码子的长度从三个基地4个,因此可能的密码子的数量增加至256人。这需要修改多个部分的翻译机器,包括核糖体。下巴和他的团队使用了四种非规范这一战略将氨基酸大肠杆菌成绩单,还包含常规码三垒¹²。其他研究人员一直在探索是否可能甚至有可能创建一个all-quadruplet遗传密码。

一些研究人员正在尝试更极端的改变。这些包括骨干修改——创建所谓的β——或者γ-amino-acids(而不是α-amino-acids在自然界发现的),或氨基酸反向镜像标准氨基酸。要么聚合物由类型的构建块可能是高度稳定的,因为典型的protein-degrading机器无法识别它们。

但现有转化机械不是用来接受这些外来的氨基酸,包括氨酰合成酶,附加tRNA上氨基酸。日本须贺总裁中西宏明,东京大学化学生物学家,开发一个解决方案在2006年“flexizyme”,一个RNA-based催化剂能够进行蛋白质合成酶的工作:连接氨基酸转运rna¹³。

日本须贺集中在合成聚合物在体外,因为它提供了最大的灵活性方面的修改。使用flexizyme,他的团队组合11非规范氨基酸单一macrocycle 12标准氨基酸¹⁴。日本须贺共同PeptiDream生物技术公司,总部设在日本,川崎开发新药使用相同的技术。

然而,工作在体外;应用骨干——或者configuration-modified氨基酸蛋白质在细胞仍然是一个挑战。虽然有几个实例中,科学家已经能够把这些更奇异的氨基酸,进一步措施是必要的,使流程更有效率。以及发现可能与这些氨基酸的合成酶在体内在很多情况下,科学家将不得不设计一个核糖体,可以处理这些新的氨基酸——同时执行其职责。

在最近的两项研究阿兰娜Schepartz,化学和合成生物学家加州大学伯克利分校和她的团队报告步骤解决这些问题。的论文,他们描述一个从archaeon合成酶Methanomethylophilus腹脏可以接受non-α-amino-acids bio-orthogonal大肠杆菌。在其他的研究中,研究小组报告了一个计算技术筛选独特的单体支柱大肠杆菌核糖体可以处理效率。研究人员说这将有助于确定最有可能被non-α-amino-acids兼容现有的核糖体^15,16。

其他组织正在努力开发一种核糖体,从头可以产生蛋白质与异国情调的氨基酸。去年10月,在杭州西湖大学的研究人员,中国,报道的镜像RNA聚合酶合成所需的所有RNA分子产生镜像核糖体¹⁷。尽管更多的步骤需要做一个镜像核糖体现实,创造一个这样的分子可能是一个重要的一步使用平移机械制造镜像蛋白质。

其他研究人员正在努力重新编码核糖体创建聚合物和碳碳键,而不是氮碳酰胺债券通常建立连接氨基酸。

应该这些策略来实现,他们将赋予科学家合成权力巨大的新聚合物。没人知道属性可以出现在创建一个合成聚合物具有相同长度和水平的蛋白质序列的定义,“因为没有这样的分子所”,Schepartz说。但是她和其他人希望很快到达那里。“这是一个非常激动人心的时刻。”