美國科學家通過將非天然的氨基酸（除20種用作生物基礎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—化學生物學》雜志上。
該研究的領(lǐng)導者、加州薩克生物研究所化學生物學和蛋白質(zhì)組學實驗室的助理教授王磊（音譯）表示：“最新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，王磊和同事首次制造出了蛋白質(zhì)中整合了非天然氨基酸的細菌；2007年，他們首次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)的化學性質(zhì)，在藥物研制以及化學品制造中，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，這樣就有助于科學家們描述與疾病或衰老有關(guān)的生物學機制。
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，釋放因子會在第一個終止密碼子那兒讓蛋白質(zhì)死亡，以預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，高效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。”
在最新研究中，薩克生物研究所的科學家和加州大學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“起死回生”。結(jié)果，科學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。
“這是我們首次制造出一個可用的、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，但這使科學家們在生物工程學領(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 劉霞)