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      科學(xué)家用擴展的遺傳密碼指導(dǎo)細菌進化以產(chǎn)生極高的耐熱性
      
			
      
				2019-01-27 12:33:02
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      近年來，科學(xué)家們設(shè)計了具有擴展遺傳密碼的細菌，這些細菌產(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，這種合成細菌可以在實驗室中進化蛋白質(zhì)，使用自然界20個氨基酸構(gòu)建模塊可能無法實現(xiàn)的機制增強特性。
      

      科學(xué)家用擴展的遺傳密碼指導(dǎo)細菌進化以產(chǎn)生極高的耐熱性
      

      研究人員發(fā)現(xiàn)，一些細菌會將細菌與人工擴增的遺傳密碼暴露在無法正常生長的溫度下，從而進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)了一種重新編程細胞自身蛋白質(zhì)生物合成機制的方法，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，具有擴展遺傳密碼的合成細菌是否比那些限制在20個構(gòu)建模塊的細菌具有進化優(yōu)勢 - 從進化健身的角度來看，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特性的分子，”Schultz說。“在這里，我們已經(jīng)證明，將擴展的遺傳密碼與實驗室進化相結(jié)合可以創(chuàng)造出具有增強特性的蛋白質(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。
      

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

      通過這種方式，研究人員能夠驅(qū)動細菌進化出一種突變的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)典氨基酸的獨特化學(xué)特性，實驗室進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)具有擴展代碼的生命形式將具有進化優(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)。
      
			

			
        
      
			
      
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