罗小舟/刘涛团队揭秘非天然氨基酸黑科技
罗小舟/刘涛团队揭秘非天然氨基酸黑科技
2024年12月31日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所合成生物化学研究中心（以下简称“深圳先进院合成所生化中心”）罗小舟团队和北京大学药学院刘涛团队在国际著名学术期刊《化学评论》（Chemical Reviews，影响因子51.4）联合在线发表了题为“Genetic code expansion: recent developments and emerging applications”的综述文章，并被选为期刊封面（图1）。文章从系统层面详细概述了基因密码子扩展技术（GCE）的现状以及面临的挑战与机遇，并重点论述了其在合成生物学、生物机制研究和新型治疗等前沿领域的应用潜力。
长期以来，DNA和RNA一直被视为存储和传递遗传信息的分子，而蛋白质则是生命活动的主力军。然而，天然蛋白质仅由20种天然氨基酸构成，这一定程度上限制了蛋白质的结构与功能多样性。如今，基因密码子扩展（GCE）技术正在打破这一局限，为生命科学研究带来全新可能。该技术通过引入正交的氨酰-tRNA合成酶（aaRS）/tRNA对，在活细胞甚至完整生物体内的蛋白质翻译过程中，精准地将非天然氨基酸（ncAA）定点引入蛋白质。
GCE技术的工作原理
GCE技术的核心是在蛋白质翻译过程中，利用工程化的氨酰tRNA合成酶将非天然氨基酸连接到相应的工程化tRNA上，从而将原本不编码氨基酸的无义密码子重新定义为非天然氨基酸的编码。这一技术突破的关键在于慢病毒基因传递系统的应用。慢病毒载体能够高效地将外源基因传递到目标细胞中，并实现长期稳定的基因表达。通过优化慢病毒载体的设计和递送方式，研究人员成功地将非天然氨基酸掺入神经干细胞表达的蛋白质中，为观察电压敏感域的变化提供了新的工具。
最新进展
本篇综述全面回顾了GCE技术过去5年的最新进展。文章梳理了GCE技术的诞生过程、优化方法及其广泛应用（图2），详述了科学家近年来在关键环节的突破，包括翻译元件的优化、正交aaRS/tRNA对筛选方法的改进以及ncAA的生物合成等策略。此外，文章还深入探讨了GCE技术的多领域创新性应用，从新型生物材料的设计，到更高效的药物递送系统，再到更优的基因编辑工具与疫苗研发方法。GCE技术也在合成生物学和基础生物机制研究中展现出了强大的潜力。如今，GCE技术已覆盖从原核到真核的各个角落。未来，随着该技术效率和正交性的进一步提升，以及更多功能性ncAA的成功开发，GCE技术有望催生具备全新功能的复杂生物系统，为生物学与医学领域带来更深远的影响。
应用案例
非天然氨基酸（Uaa）具有荧光特性、光敏特性、金属螯合等独特性质，可以改变蛋白质的理化性质并赋予其新的功能。Uaa的合成方法包括化学法和生物法，其中化学法存在产率低、纯度不高、费用高昂等问题，而生物法则具有反应条件温和、环保高效的优势。Uaa可以用于蛋白质的修饰和改造，具有广泛的应用前景。
例如，在帕金森病的研究中，通过移植由胚胎干细胞分化而来的多巴胺神经元，研究人员已经取得了初步的疗效。然而，传统的干细胞疗法仍面临许多挑战，如免疫排斥和长期安全性问题。非天然氨基酸的引入为解决这些问题提供了新的思路。通过精确调控蛋白质的功能，研究人员可以设计出更安全、更有效的干细胞疗法。
此外，这一技术还为开发新型的蛋白质药物提供了可能。通过在蛋白质中引入非天然氨基酸，研究人员可以赋予蛋白质新的功能或改善其药理特性。例如，夏青团队开发的AI辅助非天然氨基酸插入蛋白质的软件，能够预测非天然氨基酸在蛋白质中的最佳插入位点，为设计含有非天然氨基酸的新型蛋白质药物提供了有力工具。
未来展望
尽管这一突破仍处于研究阶段，但其潜在的应用前景令人兴奋。随着技术的不断进步和临床试验的推进，我们有理由相信，基于非天然氨基酸的神经干细胞疗法将在不久的将来为患者带来新的希望。
深圳先进院合成所生化中心罗小舟研究员和北京大学药学院刘涛教授为本文的共同通讯作者。北京大学药学院博士毕业生黄雨佳，深圳先进院合成所生化中心助理研究员张盼，北京大学药学院硕士毕业生王浩宇为共同第一作者。中国科学院大学/深圳先进院合成所生化中心联合培养在读硕士生陈燕对本文撰写也做出重要贡献。本工作获得了科技部重点研发计划、国家自然科学基金项目、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市自然科学基金以及深圳先进院杰青计划等项目的支持。