Science | 用"黑客"思维改写氨基酸"代码"，创造全新蛋白质

Science | 用"黑客"思维改写氨基酸"代码"，创造全新蛋白质

近日，浙江大学生命科学研究院林世贤研究团队在《科学》期刊发表重要研究成果，成功开发出"稀有密码子重编码技术"。这项创新技术通过改写生物体内的遗传密码，实现了非天然氨基酸在蛋白质中的高效引入，为药物设计、机理研究和探索新生命形式开辟了全新路径。

在高中生物学教科书上，我们应该都见过一张"20种氨基酸的密码子表"。每个密码子由3个碱基组成，A、C、U、G四种碱基按不同的排列组合方式形成了64个密码子，其中61个对应编码了20种天然氨基酸，还有3个意味着终止符。这张密码子表是几乎所有生物都通用的"单词表"，从细菌到大象、从爬虫到人类，都用这20个氨基酸"单词"。一个个氨基酸连接起来，再加上"句号"，就形成了蛋白质"句子"。

这套自然界的规则，已经演化了几十亿年。而现在，人类科学家尝试着改写规则，加入新的"单词"，创造出更多全新的"句子"。

近期，来自浙江大学生命科学研究院的一支科研团队在《科学》期刊发表论文，展示了他们发明的"稀有密码子重编码技术"，让不常用的密码子编码20种以外的非天然氨基酸，进而组装出全新的蛋白质分子。

用论文通讯作者林世贤研究员的话说，这项技术就像黑客一样，通过改编密码子表，"黑"进了哺乳动物细胞的蛋白质工厂。

举例来说，在密码子表上，编码丝氨酸的密码子有6种，但6种密码子的使用频率并不一样，AGC的出现频率是TCG的5倍，TCG就属于稀有密码子。研究人员就决定从这里切入，让TCG这种"闲置"密码子发挥其他作用，关联非天然氨基酸。

为了更容易理解，研究人员用汉字做了一个类比：在古代，"槑"字作为"梅"的异体字并不常见；而如今的"槑"成为一个网络热词，人们赋予了它"呆傻天真"的新含义。同样的，原本在蛋白质翻译过程中很少"露面"的密码子，现在让它有新的"单词"含义。

经典密码子表（左）和稀有密码子重编码技术"改写"的密码子表

其实，通过改编经典密码子表引入非天然氨基酸的想法先前也有人尝试过。本世纪初，美国化学生物学家Peter Schultz提出"基因密码子拓展技术"(Genetic Code Expansion)，瞄准了空白密码子，也就是编码"终止符"的密码子。"稀有密码子从一开始就被排除在外，而我们证明了它的可行性。"林世贤研究员指出，"空白密码子在翻译过程中仍然有很大概率发生终止，这样会让翻译效率大打折扣；而'押注'在稀有密码子上或许更为稳定、有效。"

重编码空白密码子（左）和稀有密码子（右）引入非天然氨基酸的策略差异，线条粗细代表了过程流的强度

接下来，研究论文进一步介绍了"黑客"系统的布设情况：首先通过遗传手段，让细胞内源性产生重编码tRNA和与之协同的合成酶，它们的任务是结合并催化转化外源非天然氨基酸；然后，在细胞的外部环境中加入待引入的非天然氨基酸。

思路不难理解，但具体实施起来还有挑战需要克服。因为在读取密码子并组装蛋白质的场所——核糖体，成千上万的氨基酸在等待被tRNA和合成酶识别后编码，这时要确保核糖体遇到TCG这一密码子时，非天然氨基酸的竞争力要超过丝氨酸。

为此，研究人员通过大数据模型预测和系统工程改造，得到了高质量的重编码tRNA和合成酶；同时通过降低内源丝氨酸解码的tRNA水平让其处于竞争弱势一方。经过"里应外合"式的引导，TCG更倾向于编码非天然氨基酸，而非丝氨酸。并且，让非天然氨基酸可以在翻译过程中进入蛋白质的一级结构的任意位置。

论文显示，曾经的"冷门"密码子表现出令人惊叹的效率，对于大多数测试的模型和功能蛋白质，其编码非天然氨基酸的效率达到80%~90%，接近于天然氨基酸。此外，这一技术还强调了过程的"正交性"，也就是说，"这种操作绕过了翻译系统自带的纠错机制，以一种悄无声息的方式进入，并不会引起整个翻译系统的混乱。"林世贤研究员解释道。

研究人员展示了在哺乳动物细胞中编码含有6个非天然氨基酸的蛋白质，或者编码4种不同非天然氨基酸的蛋白质，并且编码的位置可以精确地设定。

在哺乳动物细胞中编码含有多个非天然氨基酸的蛋白质

谈及稀有密码子重编码技术的应用场景，林世贤研究员强调了三点："设计药物、研究机理、探索新的生命形式。"

当非天然氨基酸可以高效地进入蛋白质一级结构，这意味着蛋白质分子的设计获得了一个崭新的维度，可以更自由地引入特定功能的氨基酸，以生物合成的方法创造出带有非天然氨基酸的药物，这将是药物设计的新突破。同时，这项技术为研究蛋白质修饰提供新的"生物元件"和工具。因为蛋白质的性质和功能不仅取决于其结构，还和蛋白质主链上的各种"修饰"分子有关。截止目前，人们已经发现的蛋白质功能修饰就有300多种。"很多修饰都是可以靠非天然氨基酸引入的。"林世贤研究员指出，依托非天然氨基酸这个"元件"引入和表达更多修饰，可以进一步研究修饰的生物学功能和调控机制。

更久远的就是探索新的生命形式。从生命演化的角度看，密码子表上并不是一开始就稳定在20种天然氨基酸，而是陆陆续续发展并稳定在20种的。它们曾经也可能是非天然氨基酸，经过一系列随机和选择事件，最终从"在野"成为"在编"。"我们也可以大胆想象，非天然氨基酸能促成新的生命形式，比如，一种特别抗冻的细胞？一种特别长寿的细胞？"科学家如此畅想。

浙江大学生命科学研究院林世贤研究团队