20種典型氨基酸(除了一些其他氨基酸，如吡咯賴氨酸和硒代半胱氨酸)用于蛋白質(zhì)的生物合成。然而，遺傳密碼擴增技術(shù)能夠?qū)⒎且?guī)范氨基酸(ncAAs)特異性摻入活細胞中的蛋白質(zhì)中，已經(jīng)改變了研究。此外，它還有可能導(dǎo)致新療法的開發(fā)。
現(xiàn)在，萊斯大學(xué)的一組研究人員報告了原核和真核自主細胞的產(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治療性蛋白質(zhì)的活細胞的關(guān)鍵構(gòu)建塊。
研究人員成功的一個關(guān)鍵因素是發(fā)現(xiàn)這種鳥，即鳳頭朱鹮，提供了解鎖styr產(chǎn)生所需的線索。
這項概念驗證研究不僅產(chǎn)生了首次合成sTyr的哺乳動物細胞，而且研究人員還制造了增強凝血酶抑制劑效力的細胞 - 用于防止血液凝固的抗凝劑。
這項研究發(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胞》中。
“在自然界中，我們的大多數(shù)物種都是由20個規(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。“如果你想添加一個額外的構(gòu)建塊，你需要考慮如何制作它。我們解決了這個問題：我們可以要求細胞制造它。
“但是，我們必須有翻譯機制來識別它。還有一個特殊的密碼子來編碼這個新的構(gòu)建塊，“肖繼續(xù)說道。“通過這項研究，我們已經(jīng)滿足了所有這三個要求。
過去，科學(xué)家會將化學(xué)合成的非規(guī)范氨基酸喂入細胞。肖說，讓細胞做這項工作要高效得多，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博士的實驗室比較基因組數(shù)據(jù)庫時，他們在朱鹮中發(fā)現(xiàn)了磺基轉(zhuǎn)移酶1C1。
萊斯大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)了表達治療性蛋白質(zhì)的細胞，特別是凝血酶抑制劑。關(guān)鍵是磺酪氨酸(sTyr)的位點特異性插入，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。[肖實驗室/萊斯大學(xué)]
“我們很幸運，”肖說。“朱鹮是唯一這樣做的物種，這是通過基因組信息的序列相似性搜索發(fā)現(xiàn)的。之后，我們問他們是否可以弄清楚為什么這種酶可以識別酪氨酸，而我們的人類磺基轉(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制的工程設(shè)計，該機制由進化的氨?；?tRNA合成酶/tRNA對和“空白”密碼子組成。為了實現(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。
肖實驗室使用突變的琥珀色終止密碼子來編碼所需的磺基轉(zhuǎn)移酶，從而產(chǎn)生一種完全自主的哺乳動物細胞系，能夠生物合成sTyr并將其非常精確地整合到蛋白質(zhì)中。
作者寫道，這些工程細胞可以產(chǎn)生“位點特異性硫酸化蛋白，其產(chǎn)量高于文獻中報道的最高水平sTyr的外源性細胞。他們使用這些細胞制備具有位點特異性硫酸鹽化的高效凝血酶抑制劑。
“現(xiàn)在，通過這種修改蛋白質(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。“對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)和計算增強篩選的結(jié)合來產(chǎn)生生物合成的非規(guī)范氨基酸庫。
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