罗小舟/刘涛团队合作发表基因密码子扩展领域最新进展
罗小舟/刘涛团队合作发表基因密码子扩展领域最新进展
基因密码子扩展（GCE）技术突破了自然界中常规遗传密码仅允许20种标准氨基酸的限制，为蛋白质中引入非天然氨基酸（ncAAs）提供了一种革命性的方法。近日，北京大学刘涛团队和深圳先进院罗小舟团队合作发表最新综述，系统概述了GCE技术的现状、挑战与机遇，并重点论述了其在合成生物学、生物医学等领域的应用潜力。
蛋白质是生命的基石，其功能由其独特的氨基酸序列决定。然而，自然界中常规遗传密码仅允许20种标准氨基酸的整合，这对蛋白质功能的多样性构成了一定限制。基因密码子扩展（Genetic Code Expansion, GCE）技术突破了这一限制，为蛋白质中引入非天然氨基酸（ncAAs）提供了一种革命性的方法。
通过引入特定的正交氨酰-tRNA合成酶（aaRS）/tRNA对，GCE技术可以在细胞中特定位点插入ncAAs，而不影响内源性翻译过程。近年来，研究者通过优化aaRS/tRNA系统、改进翻译机制以及开发新的筛选技术，使GCE技术在合成生物学、生物医学等领域展现了广泛的应用潜力。
近日，北京大学刘涛团队和深圳先进院罗小舟团队合作发表最新综述：“Genetic Code Expansion: Recent Developments and Emerging Applications”，发表在期刊Chemical Reviews上，并被选为期刊封面。
到目前为止，已有200多种ncAAs通过GCE技术被定点整合到蛋白质中。这篇文章从系统层面详细概述了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。
GCE通过引入新的“编码单元”扩展蛋白质的化学功能，为生物学和医学带来新的可能性。其核心机制是利用正交化的aaRS/tRNA对，aaRS将特定的ncAAs连接到tRNA上，指导它们在翻译中整合到蛋白质中，从而不干扰宿主细胞的天然蛋白质合成。
通过优化aaRS/tRNA对，GCE技术从最初的原核生物扩展到真核生物系统，甚至应用于多细胞生物，如线虫和小鼠。其广泛应用于蛋白质工程、药物开发、疫苗生产和基因编辑等领域，为设计新型酶、开发更有效的药物和疫苗、以及精准基因编辑提供了新的工具。GCE技术为生命科学和医学带来了革命性变化，开辟了探索生命奥秘和开发治疗方法的新途径。
GCE技术的发展快速得益于对核心组件的持续优化，包括aaRS、tRNA和其他翻译系统组件，以及ncAAs的合成与供应。近年来，科学家们在这些方面取得了显著的进展。
除了传统的筛选和优化方式，研究人员们通过探索极端生物，特别是嗜热生物，以寻找更稳定和易于修改的aaRS/tRNA对。例如从嗜热脂肪芽孢杆菌（Bacillus stearothermophilus）中鉴定出一类新的酪氨酸tRNA合成酶（TyrRS）/tRNATyr对表现出优异热稳定性，并在哺乳动物和酿酒酵母中都表现出正交性；此外，将aaRS和它们相应的tRNAs与完全不同的aaRS/tRNA对融合，以开发新型的正交aaRS/tRNA对。
针对tRNA，通过增加tRNA的拷贝数、优化tRNA与翻译组件之间的相互作用等方法可以提高ncAA的引入效率；对tRNA进行修饰也可以影响其抑制效率和特异性。这些方法和技术的发展将有助于进一步推动人工合成生物学的发展。
除了aaRS和tRNA，翻译系统的其他组分也进行了优化，包括引入新的密码子、开发正交核糖体、降低靶mRNA降解等策略。
通过设计正交核糖体，科学家们创建了只翻译带特定结合位点的mRNA的核糖体，完全隔离了天然翻译系统，从而实现了更高效的ncAAs整合；通过删除或突变释放因子RF1，研究者显著提高了UAG密码子用于ncAAs整合的效率。
为了解决ncAAs供应问题，研究人员通过代谢通路重构，成功实现了多种ncAAs的生物合成。例如，在大肠杆菌中，通过引入对羟基苯丙氨酸（pHPhe）的合成途径，实现了高产量生产；通过基因敲除和关键酶的调控，显著减少了副产物生成，提高了ncAAs的纯度。
通过这些优化，GCE技术实现了更高效、更精确的翻译体系，不仅提升了系统的稳定性，还拓展了GCE技术的应用潜力。未来，随着更多ncAAs的合成和翻译工具的开发，GCE技术将在生物学和医学领域发挥更大的作用。
图 | 通过融合不同的aaRS/tRNA对来创建嵌合酶，提高了活性或稳定性（来源：上述论文）
GCE技术已经从实验室的工具逐步走向应用，在合成生物学、生物医学、机制研究和新材料开发等领域展现了广泛的潜力。
GCE技术为基因调控工具的开发提供了新思路。例如，利用光响应型ncAAs构建的光控基因回路，能够在细胞中实现时间和空间精确调控；化学响应型ncAAs（如对某些化学分子敏感的修饰氨基酸）用于开发对外源分子敏感的开关蛋白。GCE技术推动了蛋白质工程的深度发展，包括：在天然酶的活性中心引入ncAAs以提升催化效率，例如通过加入磷酸化氨基酸来增强底物特异性；在结构蛋白中整合氟化修饰的ncAAs，提高热稳定性和机械强度。
GCE技术在疫苗设计中的应用主要体现在抗原优化上。通过引入具备稳定性和增强免疫反应能力的ncAAs，研究者成功开发了可自组装的纳米疫苗。例如用于HIV疫苗研发的光交联型氨基酸显著提升了免疫反应强度；在CRISPR-Cas9系统中引入具有化学修饰功能的ncAAs，使其更加稳定和特异，降低了脱靶风险。这为精准基因编辑提供了更安全高效的选择。
利用荧光活性或化学活性ncAAs标记特定蛋白，科学家能够实时追踪细胞内信号通路。例如，光活性ncAAs被用于研究Ras蛋白的信号转导过程，为癌症相关机制提供了新见解。通过在酶的活性中心引入金属结合位点的ncAAs，研究者成功模拟了复杂的金属酶催化反应，为理解氧化还原酶的分子机制提供了理论支持。
GCE技术支持功能化生物材料的设计，例如：在蛋白质中引入双键功能的ncAAs，用于构建具有高韧性和抗菌性能的水凝胶；通过整合生物正交反应位点，开发了可控释放药物的生物膜材料；利用电化学活性或荧光标记的ncAAs，研究者开发了高灵敏度生物传感器：实时检测水中重金属离子或有机污染物的传感器已被应用于环境监测；用于癌症早期诊断的蛋白质生物传感器，通过标记癌症相关标志物，显著提升了检测特异性。
图 | 基因表达调控（来源：上述论文）
GCE技术作为合成生物学的重要突破，正在加速基础科学研究与实际应用的发展。
GCE技术的进展主要得益于对翻译组件（如aaRS/tRNA系统、核糖体）的优化及非天然氨基酸（ncAAs）的应用。目前，GCE技术已在多种生物模型中展示了强大的适用性，优化的正交aaRS/tRNA对和核糖体工程提高了ncAAs的整合效率和翻译精度，广泛应用于蛋白质功能拓展和生物医学。然而，GCE技术仍面临提升翻译效率、降低ncAAs生产成本及解决生物安全和伦理问题的挑战。未来，GCE技术将结合正交核糖体和四联体密码子技术，开发功能复杂的蛋白质，并借助人工智能和高通量技术提高设计效率。同时，技术将在精准医学和绿色催化剂等领域的应用中发挥更大作用，推动可持续发展。
总的来说，GCE技术为生命科学研究和应用提供了新的视角，展现了巨大潜力，随着技术的进步，未来将在科学研究和实践中发挥重要作用。