近年來，科學(xué)家們設(shè)計了具有擴(kuò)展遺傳密碼的細(xì)菌，這些細(xì)菌產(chǎn)生的蛋白質(zhì)由更廣泛的分子構(gòu)建塊組成，為蛋白質(zhì)工程開辟了前景。

現(xiàn)在，斯克里普斯研究的科學(xué)家已經(jīng)證明，這種合成細(xì)菌可以在實驗室中進(jìn)化蛋白質(zhì)，使用自然界20個氨基酸構(gòu)建模塊可能無法實現(xiàn)的機(jī)制增強(qiáng)特性。

研究人員發(fā)現(xiàn)，一些細(xì)菌會將細(xì)菌與人工擴(kuò)增的遺傳密碼暴露在無法正常生長的溫度下，從而進(jìn)化出新的耐熱蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)在通常會失活的溫度下保持穩(wěn)定。研究人員在美國化學(xué)學(xué)會期刊(JACS)上報道了他們的發(fā)現(xiàn)。

實際上，地球上的每個生物體都使用與構(gòu)建塊相同的20個氨基酸來制造蛋白質(zhì) - 這些大分子可以發(fā)揮大部分細(xì)胞功能。JACS論文的高級作者兼Scripps Research總裁兼首席執(zhí)行官Peter Schultz博士開創(chuàng)了一種重新編程細(xì)胞自身蛋白質(zhì)生物合成機(jī)制的方法，為蛋白質(zhì)添加新的氨基酸，稱為非經(jīng)典氨基酸(ncAAs)，常見的20種氨基酸中沒有的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

這種擴(kuò)展的遺傳密碼在過去被用于合理設(shè)計具有新特性的蛋白質(zhì)，用作研究蛋白質(zhì)如何在細(xì)胞中起作用的工具以及作為癌癥的新的精確工程藥物。研究人員現(xiàn)在詢問，具有擴(kuò)展遺傳密碼的合成細(xì)菌是否比那些限制在20個構(gòu)建模塊的細(xì)菌具有進(jìn)化優(yōu)勢 - 從進(jìn)化健身的角度來看，21個氨基酸的代碼是否優(yōu)于20個氨基酸的代碼?

“自從我們第一次擴(kuò)大可以摻入蛋白質(zhì)的氨基酸范圍以來，已經(jīng)開始使用這些系統(tǒng)來設(shè)計具有新特性或增強(qiáng)特性的分子，”Schultz說。“在這里，我們已經(jīng)證明，將擴(kuò)展的遺傳密碼與實驗室進(jìn)化相結(jié)合可以創(chuàng)造出具有增強(qiáng)特性的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)在自然界更有限的情況下可能無法實現(xiàn)。”

科學(xué)家們首先調(diào)整了大腸桿菌的基因組，以便細(xì)菌可以使用21個氨基酸代碼而不是常見的20個氨基酸代碼生成蛋白質(zhì)高絲氨酸o-琥珀酰轉(zhuǎn)移酶(metA)。一種重要的代謝酶metA決定了大腸桿菌繁殖的最高溫度。高于該溫度，metA開始失活，細(xì)菌死亡。研究人員隨后制作了metA的突變體，其中天然蛋白質(zhì)中的幾乎任何氨基酸都可被第21個非常規(guī)氨基酸取代。

在這一點(diǎn)上，他們讓自然選擇 - 進(jìn)化的核心機(jī)制 - 發(fā)揮其神奇作用。通過將細(xì)菌加熱到44攝氏度 - 正常的metA蛋白無法發(fā)揮作用的溫度，結(jié)果細(xì)菌無法生長 - 科學(xué)家們對細(xì)菌群體施加了選擇性壓力。正如預(yù)期的那樣，一些突變細(xì)菌能夠存活超過其典型的溫度上限，這要?dú)w功于擁有更加熱穩(wěn)定的突變體metA - 所有其他細(xì)菌都死亡。

通過這種方式，研究人員能夠驅(qū)動細(xì)菌進(jìn)化出一種突變的metA酶，它可以承受比正常溫度高21度的溫度，幾乎是人們通常在限制在普通20氨基酸建筑物內(nèi)的突變時所達(dá)到的熱穩(wěn)定性增加的兩倍。塊。

研究人員隨后確定了導(dǎo)致突變體metA的特定基因序列變化，并發(fā)現(xiàn)它是由于其一種非經(jīng)典氨基酸的獨(dú)特化學(xué)特性，實驗室進(jìn)化以一種巧妙的方式來穩(wěn)定蛋白質(zhì)。

“令人驚訝的是，如何利用自然界中不存在的新氨基酸進(jìn)行這種小突變，可以顯著提高蛋白質(zhì)的物理性質(zhì)，”Schultz說。

“這個實驗提出了20個氨基酸代碼是否是最佳遺傳密碼的問題 - 如果我們發(fā)現(xiàn)具有擴(kuò)展代碼的生命形式將具有進(jìn)化優(yōu)勢，如果上帝在第七天工作，我們會怎樣在代碼中添加了幾個氨基酸?“

除了Schultz之外，該研究的作者，用基因編碼的非經(jīng)典氨基酸增強(qiáng)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性，包括Scripps Research的Jack C. Li，Tao Liu，Yan Wang和Angad P. Mehta。該研究得到了美國國立衛(wèi)生研究院的支持(授予R01 GM062159)。