近年來，科學(xué)家們利用擴(kuò)增的遺傳密碼對細(xì)菌進(jìn)行了改造，使之產(chǎn)生由更廣泛的分子構(gòu)建塊制成的蛋白質(zhì)，這為蛋白質(zhì)工程開辟了一個有前途的前景。

現(xiàn)在，斯克里普斯研究中心的科學(xué)家們已經(jīng)證明，這種合成細(xì)菌可以在實驗室里進(jìn)化出具有更強(qiáng)特性的蛋白質(zhì)，其機(jī)制可能是自然界的20種氨基酸構(gòu)建模塊無法實現(xiàn)的。

用人工擴(kuò)增的遺傳密碼將細(xì)菌暴露在通常無法生長的溫度下，研究人員發(fā)現(xiàn)，一些細(xì)菌進(jìn)化出了新的耐熱蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)在通常不會被激活的溫度下保持穩(wěn)定。研究人員在《美國化學(xué)學(xué)會雜志》(JACS)上報告了他們的發(fā)現(xiàn)。

事實上，地球上的每一種生物都使用同樣的20種氨基酸作為制造蛋白質(zhì)的基本原料——蛋白質(zhì)是執(zhí)行大多數(shù)細(xì)胞功能的大分子。彼得·舒爾茨博士的資深作者江淮紙和斯克里普斯研究的總裁兼首席執(zhí)行官,開創(chuàng)了一個方法來重新編程細(xì)胞的蛋白質(zhì)生物合成的機(jī)器添加新的氨基酸蛋白質(zhì),稱為不在經(jīng)典里的氨基酸(ncaa)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)沒有找到共同的20種氨基酸。

這種擴(kuò)增的遺傳密碼過去曾被用于合理設(shè)計具有新特性的蛋白質(zhì)，作為研究蛋白質(zhì)在細(xì)胞中如何工作的工具，以及作為治療癌癥的新精密工程藥物。研究人員現(xiàn)在提出了一個問題:從進(jìn)化適應(yīng)性的角度來看，21個氨基酸編碼是否比20個氨基酸編碼更好?

舒爾茨說:“自從我們第一次擴(kuò)大了可以與蛋白質(zhì)結(jié)合的氨基酸的范圍以來，許多工作已經(jīng)投入到使用這些系統(tǒng)來設(shè)計具有新特性或增強(qiáng)特性的分子。”“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)，而這些特性在自然界較為有限的基因中可能難以實現(xiàn)。”

科學(xué)家們首先對大腸桿菌的基因組進(jìn)行了調(diào)整，這樣大腸桿菌就可以利用21個氨基酸編碼而不是普通的20個氨基酸編碼來產(chǎn)生高絲氨酸o-琥珀酰轉(zhuǎn)移酶(metA)。作為一種重要的代謝酶，metA決定了大腸桿菌生長的最高溫度。超過這個溫度，metA開始失活，細(xì)菌死亡。然后研究人員制造了metA突變體，在這種突變體中，天然蛋白質(zhì)中的幾乎所有氨基酸都可以被21種非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸取代。

在這一點上，他們讓自然選擇——進(jìn)化的核心機(jī)制——發(fā)揮它的魔力。通過將細(xì)菌加熱到44攝氏度——在這個溫度下，正常的metA蛋白無法發(fā)揮作用，因此，細(xì)菌無法生長——科學(xué)家對細(xì)菌種群施加了選擇性壓力。正如預(yù)期的那樣，一些突變細(xì)菌能夠存活超過它們的典型溫度上限，這要歸功于它們擁有一個更熱穩(wěn)定的突變元——所有其他細(xì)菌都死了。

通過這種方式，研究人員能夠驅(qū)動細(xì)菌進(jìn)化出一種突變后的中間酶，這種酶能夠承受比正常溫度高21度的溫度，比人們通常在受到限于普通20個氨基酸構(gòu)建塊的突變時所能達(dá)到的熱穩(wěn)定性提高近兩倍。研究人員隨后確定了導(dǎo)致突變元的特定遺傳序列變化，并發(fā)現(xiàn)這是由于他們的一種非典型氨基酸的獨特化學(xué)性質(zhì)，實驗室進(jìn)化以一種聰明的方式利用這種氨基酸來穩(wěn)定蛋白質(zhì)。

舒爾茨說:“用自然界中不存在的一種新氨基酸進(jìn)行如此小的突變，卻能使這種蛋白質(zhì)的物理性質(zhì)得到如此顯著的改善，這一點令人吃驚。””這個實驗提出了一個問題:20個氨基酸密碼是否最優(yōu)的遺傳代碼我們發(fā)現(xiàn)生命形式與擴(kuò)展代碼會有進(jìn)化優(yōu)勢,我們會是什么樣子,如果上帝曾在第七天,幾個氨基酸添加到代碼?”