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生命只能利用20種氨基酸？英國(guó)科學(xué)家打破僵局
作者：陳歡歡 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 
山東拓普生物工程有限公司  http://www.jlkcpj.cn
生物學(xué)教科書告訴我們，地球上所有生命體的蛋白質(zhì)都只由20種氨基酸構(gòu)成。理論上說(shuō)，氨基酸的種類可以是極其龐大的，但為什么生命體中只出現(xiàn)了這20種氨基酸？長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)家一直在探索這一問(wèn)題，并試圖使用其他氨基酸構(gòu)建蛋白質(zhì)。
1月10日，英國(guó)醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（LMB）的研究團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志報(bào)告說(shuō)，他們開發(fā)出一種有效的方法來(lái)誘導(dǎo)細(xì)菌，可將結(jié)構(gòu)上不尋常的非常見氨基酸添加到蛋白質(zhì)中，目前已成功了4個(gè)氨基酸。
從化學(xué)結(jié)構(gòu)上說(shuō)，生物體使用的20種常見氨基酸都被稱為α-氨基酸，此外還有分子主鏈上有獨(dú)特曲折的β-氨基酸和γ-氨基酸。制造蛋白質(zhì)最便宜的方法是設(shè)計(jì)活細(xì)胞來(lái)生產(chǎn)蛋白質(zhì)，合成化學(xué)家曾將數(shù)十種非標(biāo)準(zhǔn)的α氨基酸摻入蛋白質(zhì)中，合成出一種新的生命形式，但大量結(jié)構(gòu)更奇異的氨基酸還沒有成功過(guò)。
蛋白質(zhì)合成有兩個(gè)關(guān)鍵步驟：轉(zhuǎn)錄和翻譯——首先，短鏈的轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）將氨基酸運(yùn)送到細(xì)胞的蛋白質(zhì)組裝器——核糖體中，每個(gè)tRNA都能編碼特定的氨基酸，通過(guò)氨酰tRNA合成酶將氨基酸連接到合適的tRNA上；其次，攜帶著氨基酸的tRNA與包含所有遺傳信息的信使RNA（mRNA）長(zhǎng)鏈結(jié)合，完成遺傳信息的復(fù)制，隨著核糖體的移動(dòng)，把氨基酸不斷輸送到這個(gè)長(zhǎng)鏈中。
蘇黎世大學(xué)的化學(xué)家Alexandria Deliz Liang將蛋白質(zhì)制造比作組裝火車：首先必須裝載火車車廂，然后將這些車廂連接在一起。為了生產(chǎn)新種類的蛋白質(zhì)，研究人員必須讓這兩個(gè)步驟同時(shí)發(fā)揮作用。LMB的化學(xué)家Jason Chin補(bǔ)充道：“如果其中任何一個(gè)不起作用，系統(tǒng)就會(huì)失敗。”。
在第一步中，生命體使用的20種氨基酸，均有其相應(yīng)的氨酰tRNA合成酶，能專一性地辨認(rèn)氨基酸的側(cè)鏈和tRNA。正是因?yàn)檫@樣專一性酶的存在，mRNA的遺傳信息才能準(zhǔn)確無(wú)誤地反映在蛋白質(zhì)的氨基酸序列上。
研究人員以此為突破口，通過(guò)突變氨酰tRNA合成酶的基因，創(chuàng)造出數(shù)百萬(wàn)種可能與外來(lái)氨基酸結(jié)合的替代版本。然后，他們將這些酶插入大腸桿菌，觀察核糖體是否能成功地將這些外來(lái)氨基酸結(jié)合到蛋白質(zhì)中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)了8種成功裝載外來(lái)氨基酸的酶，其中4種能被大腸桿菌的天然核糖體結(jié)合到生長(zhǎng)中的蛋白質(zhì)鏈中，包括3種β-氨基酸和1種α-α-氨基酸。
“我們打破了僵局。”Chin說(shuō)。
未參與此項(xiàng)研究的加州大學(xué)歐文分�；瘜W(xué)家Chang Liu表示：“將這些新類別的氨基酸轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)是一項(xiàng)巨大的成就。”威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的化學(xué)家Samuel Gellman表示，盡管這只是原理的證明，但很可能會(huì)對(duì)未來(lái)產(chǎn)生重大影響。首先，這種方法有助于醫(yī)藥公司設(shè)計(jì)對(duì)體內(nèi)酶具有耐藥性的蛋白質(zhì)類藥物；其次，由于這些不常見的氨基酸的形狀與標(biāo)準(zhǔn)版本不同，這種方法還可以用于改進(jìn)工業(yè)催化劑。
不過(guò)，這項(xiàng)研究仍然依賴于核糖體能否接受不尋常的氨基酸。因此，研究團(tuán)隊(duì)也在努力改變核糖體本身，希望通過(guò)系統(tǒng)突變，使其能夠識(shí)別自然界中沒有的tRNA編碼，并接受形狀不尋常的氨基酸。Chin表示，隨著研究的推進(jìn)，相信團(tuán)隊(duì)能夠?qū)��?xì)菌進(jìn)行改造，制造出完全由非常見氨基酸組成的、擁有全新特性的蛋白質(zhì)類聚合物材料。
相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06897-6
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