“冷门”密码子编码为非天然蛋白质制造提供新平台

仅仅用20种氨基酸“积木”就排列组合出千千万万种蛋白质，从而演绎出丰富多彩的生命图景，这正是大自然的“造化”。日前，浙江大学生命科学研究院研究员林世贤团队发明了“稀有密码子重编码技术”，尝试让细胞调用20种以外的非天然氨基酸来制造蛋白质。

“稀有密码子重编码技术”（RCR）与“基因密码子拓展技术”（GCE）的原理差异。（浙大供图）

研究论文于6月7日发表于《科学》杂志。这项突破引起了学术界的广泛关注。“这一技术为人们更加自由、更高效地设计蛋白质药物奠定了基础；同时，也为研究非天然氨基酸的生命机制提供了平台与工具。”论文通讯作者林世贤认为。

做仅靠20种天然氨基酸做不了的事

细胞中组装蛋白质的“工厂”在核糖体，其中的生产过程被称为“蛋白质翻译”。它有点类似于人类的语言系统：携带遗传信息的mRNA（信使RNA）上排列的碱基像一个个“字母”，每3个碱基形成一个密码子“单词”，它们由tRNA（转运RNA）和合成酶“翻译”成氨基酸“单词”，一个个氨基酸连接起来就形成了蛋白质“句子”。

经过数十亿年的演化，地球上的几乎所有生物都“参照”同一张密码子表。从细菌到大象，从爬虫到人类，表上的氨基酸“单词”就这固定的20种。密码表上的谷氨酸等天然氨基酸可能被细胞捕获进入翻译过程，组成蛋白质的一级结构；而非天然氨基酸则可能在翻译后“修饰”到蛋白质分子上。

“蛋白质的多样性是生物功能多样性的基础。”林世贤说，人和小鼠在基因组规模上差别不大，但是人类的蛋白质的修饰和种类远比小鼠复杂，这可能是人类具有学习、思考、情感等更复杂功能与行为的原因。

“我们在想，能否在蛋白质翻译过程中就‘收编’非天然氨基酸，做仅靠20种天然氨基酸做不了的事。”林世贤说，“在翻译阶段增加一点点化学复杂度，可能会产生海量的生物学可能性，带来新的性状和功能，我们可以据此创造新的功能型蛋白质……甚至生命形式。” 

瞄准最“冷门”的密码子

怎么把“编外”氨基酸放到蛋白质主链上去呢？当林世贤像黑客一样打量这张密码子表时，他有了不一样的想法：“找一处新的漏洞‘黑’进去。” 在林世贤的眼中，稀有密码子TCG可以作为“黑”入蛋白质翻译系统的 “软肋”。他的设想是：“让‘闲置’的密码子发挥点其他作用，在严密的‘工厂’内干点‘私活’。” 林世贤称这一方案为“稀有密码子重编码技术”。

“黑客”系统的布设情况是，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“待入编”的非天然氨基酸。

林世贤说，核糖体是一个开放的系统，成千上万的氨基酸在等待被tRNA和合成酶识别后编码，这时要确保当核糖体遇到TCG这一密码子时，非天然氨基酸的竞争力要超过丝氨酸,“在质量和数量上都要占优势。”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；而数量的优势则通过大量添加外源的非天然氨基酸达成。

在这项研究中，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。”林世贤说。

“‘漏洞’、‘接口’和‘软件’都是我们发现和设计的。”林世贤对他设计的“黑客”系统感到自豪。在论文中，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。

蛋白质设计迎来“爆点”

 “设计药物、研究机理、探索新的生命形式。”谈及稀有密码子重编码技术的应用场景，林世贤不假思索地回答。

当非天然氨基酸可以高效地进入蛋白质一级结构，这意味着我们在设计蛋白质分子时获得了一个崭新的维度。让我们可以更加自由地引入特定功能的氨基酸，设计更多的非天然氨基酸药物。“这是我未来几年最感兴趣的方向。”林世贤说，“我们或许可以把一些蛋白质的功能推到极致。”

同时，该项技术还为研究蛋白质修饰提供新的“生物元件”和工具。更为久远的，就是探索新的生命形式。 “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？”当然，这还是一件比较遥远的事。

相关论文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm8143