20種典型氨基酸(除了一些其他氨基酸，如吡咯賴(lài)氨酸和硒代半胱氨酸)用于蛋白質(zhì)的生物合成。然而，遺傳密碼擴(kuò)增技術(shù)能夠?qū)⒎且?guī)范氨基酸(ncAAs)特異性摻入活細(xì)胞中的蛋白質(zhì)中，已經(jīng)改變了研究。此外，它還有可能導(dǎo)致新療法的開(kāi)發(fā)。
現(xiàn)在，萊斯大學(xué)的一組研究人員報(bào)告了原核和真核自主細(xì)胞的產(chǎn)生，具有生物合成和遺傳編碼氨基酸磺酪氨酸(sTyr)的能力 - 一種重要的蛋白質(zhì)翻譯后修飾，具有低膜通透性和編程表達(dá)治療性蛋白質(zhì)的活細(xì)胞的關(guān)鍵構(gòu)建塊。
研究人員成功的一個(gè)關(guān)鍵因素是發(fā)現(xiàn)這種鳥(niǎo)，即鳳頭朱鹮，提供了解鎖styr產(chǎn)生所需的線(xiàn)索。
這項(xiàng)概念驗(yàn)證研究不僅產(chǎn)生了首次合成sTyr的哺乳動(dòng)物細(xì)胞，而且研究人員還制造了增強(qiáng)凝血酶抑制劑效力的細(xì)胞 - 用于防止血液凝固的抗凝劑。
這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然通訊》上的論文《釋放非規(guī)范氨基酸生物合成的潛力以產(chǎn)生具有精確酪氨酸硫酸化的細(xì)胞》中。
“在自然界中，我們的大多數(shù)物種都是由20個(gè)規(guī)范構(gòu)建塊制成的，”萊斯大學(xué)化學(xué)，生物科學(xué)和生物工程助理教授Han Xiao博士說(shuō)。“如果你想添加一個(gè)額外的構(gòu)建塊，你需要考慮如何制作它。我們解決了這個(gè)問(wèn)題：我們可以要求細(xì)胞制造它。
“但是，我們必須有翻譯機(jī)制來(lái)識(shí)別它。還有一個(gè)特殊的密碼子來(lái)編碼這個(gè)新的構(gòu)建塊，“肖繼續(xù)說(shuō)道。“通過(guò)這項(xiàng)研究，我們已經(jīng)滿(mǎn)足了所有這三個(gè)要求。
過(guò)去，科學(xué)家會(huì)將化學(xué)合成的非規(guī)范氨基酸喂入細(xì)胞。肖說(shuō)，讓細(xì)胞做這項(xiàng)工作要高效得多，但它需要發(fā)現(xiàn)一種新的轉(zhuǎn)移酶，這種轉(zhuǎn)移酶具有可以結(jié)合硫酸鹽的酪氨酸口袋。然后，這種鎖和鑰匙組合可以用作各種催化劑的基礎(chǔ)。
而且，研究人員要感謝鳳頭朱鹮幫助實(shí)現(xiàn)了這一飛躍。當(dāng)萊斯大學(xué)生物科學(xué)、材料科學(xué)與納米工程以及物理學(xué)與天文學(xué)教授Peter Wolynes博士的實(shí)驗(yàn)室比較基因組數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，他們?cè)谥禧q中發(fā)現(xiàn)了磺基轉(zhuǎn)移酶1C1。
萊斯大學(xué)的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了表達(dá)治療性蛋白質(zhì)的細(xì)胞，特別是凝血酶抑制劑。關(guān)鍵是磺酪氨酸(sTyr)的位點(diǎn)特異性插入，這是僅在朱鹮中自然發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)氨基酸酪氨酸的突變體。[肖實(shí)驗(yàn)室/萊斯大學(xué)]
“我們很幸運(yùn)，”肖說(shuō)。“朱鹮是唯一這樣做的物種，這是通過(guò)基因組信息的序列相似性搜索發(fā)現(xiàn)的。之后，我們問(wèn)他們是否可以弄清楚為什么這種酶可以識(shí)別酪氨酸，而我們的人類(lèi)磺基轉(zhuǎn)移酶不能。
具有不同化學(xué)、生物和物理性質(zhì)的ncAA的遺傳編碼需要生物正交翻譯機(jī)制的工程設(shè)計(jì)，該機(jī)制由進(jìn)化的氨?；?tRNA合成酶/tRNA對(duì)和“空白”密碼子組成。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員模仿了朱鹮合成sTyr并將其整合到蛋白質(zhì)中的能力。
肖實(shí)驗(yàn)室使用突變的琥珀色終止密碼子來(lái)編碼所需的磺基轉(zhuǎn)移酶，從而產(chǎn)生一種完全自主的哺乳動(dòng)物細(xì)胞系，能夠生物合成sTyr并將其非常精確地整合到蛋白質(zhì)中。
作者寫(xiě)道，這些工程細(xì)胞可以產(chǎn)生“位點(diǎn)特異性硫酸化蛋白，其產(chǎn)量高于文獻(xiàn)中報(bào)道的最高水平sTyr的外源性細(xì)胞。他們使用這些細(xì)胞制備具有位點(diǎn)特異性硫酸鹽化的高效凝血酶抑制劑。
“現(xiàn)在，通過(guò)這種修改蛋白質(zhì)的新策略，我們可以完全改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其功能，”肖說(shuō)。“對(duì)于我們的凝血酶抑制劑模型，我們發(fā)現(xiàn)在藥物中放置非自然的構(gòu)建塊可以使藥物更有效。
研究人員希望利用生物信息學(xué)和計(jì)算增強(qiáng)篩選的結(jié)合來(lái)產(chǎn)生生物合成的非規(guī)范氨基酸庫(kù)。
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