宇宙無垠，生命的可能無窮無盡。在神話故事中，無論是女媧造人，還是上帝創生，都是由一個高等的存在去創造出自然萬物。有趣的是，隨著人類對遺傳進化的認知發展，科學家們也逐漸可以操控一個生物的基因組，使其表達特定基因，行使特定功能。
這些基因水准上的操作，就像是裁縫裁剪布料一樣，只能改變樣式，而無法從根本上改變布料的材質。我們都知道，蛋白質是生命活動的主要承擔者。事實上，所有生物的蛋白質都是由大約20種不同的胺基酸組合構成的。
然而，胺基酸的種類遠不止這20種，人類是否可以往蛋白質中添加新的胺基酸種類，從而讓生物蛋白的功能擁有更多的可能？
近日，英國劍橋大學的研究人員在國際頂尖學術期刊Science發表了題為：Sense codon reassignment enables viral resistance and encoded polymer synthesis的研究論文【1】。
該研究報告稱，對細菌基因組的廣泛重寫可以在一種蛋白質中添加許多新的非天然胺基酸（ncAAs）。這項工作可能為合成新型抗生素和抗腫瘤藥物開闢新的途徑。
自然生物的蛋白質翻譯系統可以讀取信使RNA（mRNA）中的所有64種三聯體密碼子，這些密碼子編碼相應的胺基酸（同一種胺基酸可能有多個密碼子），從而指導由20種天然胺基酸組成的蛋白質。
囙此，從理論上來說，我們可以更改密碼子與胺基酸的對應關係，從而往蛋白質中摻入20種天然胺基酸以外的胺基酸類型。
例如，64種密碼子中有三種被稱為終止密碼子（UGA、UAG、UAA），它們不編碼任何胺基酸，相反，它們還會訓示細胞停止製造蛋白質。在最初，科學家們就嘗試讓細胞翻譯機器在看到特定的終止密碼子時插入非天然胺基酸，從而產生了具有獨特化學性質的蛋白質。但終止密碼子最多只能空出兩個，遠不能滿足創造新型蛋白質的需求。
為了新增更多的密碼子，本研究的通訊作者、知名合成生物學家Jason Chin及其同事將目光聚焦於那些佔用多種密碼子的天然胺基酸，例如絲氨酸，它可以由6種不同的密碼子編碼——AGC、AGU、UCA、UCC、UCG和UCU。研究團隊試圖將編碼絲氨酸的6個密碼子中的兩個解放出來，並使之編碼新的胺基酸。
Syn61菌株的進化和創造
實際上，早在2019年的一項研究中【2】，Jason Chin等人就使用CRISPR-Cas9基因編輯工具創建了一種名為Syn61的大腸桿菌菌株。研究團隊替換了該細菌長達400萬堿基的基因組中超過18000個絲氨酸密碼子——將UCG、UCA和終止密碼子UAG分別替換為它們的“同義密碼子”AGC、AGU和UAA。
這意味著，絲氨酸仍然會被綜合到Syn61菌株產生的蛋白質的正確位置上，但UCG、UCA和UAG這三種密碼子實際上是“空置”的，它們不再編碼蛋白質中的任何東西，囙此可以被重新利用。
如今，承接上述工作，Jason Chin及其研究團隊針對性地删除了一種被稱為轉運RNA（tRNAs）的分子的基因，這種tRNA分子可以識別UGC和UCA，並將絲氨酸插入到蛋白質中。與此同時，他們還去除了對UAG終止密碼子產生反應而關閉蛋白質合成的化學化合物。
然後，在Syn61菌株中，研究人員對UGC、UCA和UAG這三個“空置”的密碼子進行了重新編碼，使得蛋白翻譯機器在遇到這三種密碼子時，往新生肽鏈中插入新的非天然胺基酸。最後，他們將這些密碼子寫回到Syn61的基因組中，並成功在單個蛋白質中同時添加三種非天然胺基酸！
在Syn61菌株中將兩個意義密碼子和一個終止密碼子重新分配給非天然胺基酸
這些變化使得新的胺基酸串成一系列環狀結構，與現有的抗生素和抗腫瘤藥物非常相似！不僅如此，在自然界中，還有許多不同的非天然胺基酸可以選擇，無數的組合可以以這種管道插入。囙此，這將為創建潜在新型藥物文庫打開了大門。
Jason Chin表示：“研究人員還可以擴展這個策略，重新利用其他多餘的密碼子，添加更多新的胺基酸，實現更多的化學多樣性。”
可程式設計的非天然胺基酸异聚物和大環的合成
更有趣的是，所謂“城門失火，殃及池魚”，人類在Syn61菌株中操縱的大規模基因組變化對那些感染大腸桿菌的病毒來說是極其不利的。2013年，有研究報告稱，重程式設計大腸桿菌的終止密碼子可能會破壞病毒複製的能力【3】。
當然，終止密碼子在封锁病毒感染方面並不是萬無一失的，因為它在基因中並不經常出現。與之相對，絲氨酸等編碼胺基酸的密碼子的改變對病毒更為致命。例如，Syn61菌株在讀取UCG或UCA密碼子時不再插入絲氨酸，使得病毒無法構建有效的病毒蛋白，從而封锁它們在細菌細胞中複製。在未來，這些新的發現也許會促進新型抗病毒藥物的開發！
Syn61菌株阻礙了噬菌體增殖和細胞裂解
總而言之，這項研究在大腸桿菌中實現了遺傳密碼子的重程式設計，並成功在新蛋白質中引入全新類型的非天然胺基酸，或將推動藥物開發領域的飛速發展。這項研究是意義非凡的，正如加州大學歐文分校Liu Chang教授所說：“這是基因編碼重組過程中的一個重要里程碑！”
論文連結：
1.https://science.sciencemag.org/content/372/6546/1057.abstract
2.https://www.nature.com/articles/s41586-019-1192-5
3.https://science.sciencemag.org/content/342/6156/357.full
原文刊載於【生物世界】公眾號
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