Nat Commun：浙大林世贤课题组通过翻译系统的定向进化，提高非天然氨基酸的整入效率

2022年1月5日讯/生物谷BIOON/---生物界的三个王国（植物、动物和微生物）的遗传密码都是通用的，它们为各种复杂的生理功能编码相同的20种天然氨基酸。通过整入具有不同功能基团的通用氨基酸（universal amino acid, UAA）对遗传密码进行扩展，使得合成功能增强或功能新颖的蛋白和构建依赖UAA的合成营养缺陷体成为可能。

然而，在使用UAA代替天然氨基酸时，要有一种体内位点特异性UAA整入系统并具有相当的效率和类似的蛋白产量，这是非常具有挑战性的。2020年，中国浙江大学生命科学研究院的林世贤教授及其课题组设计出一种广泛正交嵌合翻译系统，该系统在细菌和哺乳动物系统中发挥作用，用于翻译后修饰和荧光UAA的遗传密码扩展。但像目前所有的正交翻译系统一样，这种嵌合系统的效率远远低于天然氨基酸的内源性翻译系统，从而抑制了它在蛋白设计和功能研究中的应用。

如今，在一项新的研究中，林世贤教授课题组在Nature Communications期刊上发表了一篇标题为“Directed-evolution of translation system for efficient unnatural amino acids incorporation and generalizable synthetic auxotroph construction”的论文。在这篇论文中，他们对翻译系统进行定向进化，进化后产生的翻译系统允许以类似于天然氨基酸的效率整入非天然氨基酸，并以可推广的方式构建合成营养缺陷体。

利用进化出的嵌合苯丙氨酸系统高效合成非天然氨基酸并以可推广的方式构建合成营养缺陷体。图片来自Nature Communications, 2021, doi:10.1038/s41467-021-27399-x。

在这项研究中，林世贤团队设计了一种嵌合苯丙氨酸（Phe）系统，该系统具有更好的整入效率，在产生全长蛋白时达到了类似野生型的效率，并且在没有UAA时具有较低的背景活性。这些理想的特性是通过在受体茎环（acceptor stem）上的嵌合苯丙氨酸tRNA (chPheT)和嵌合苯丙氨酸合成酶（chPheRS）的定向进化得到了多种苯丙氨酸和色氨酸类似物加以展示出来的。

在筛选了大约1.7×107个tRNA分子和13000个合成酶克隆后，这些作者获得了能够显著提高嵌合翻译系统识别UAA效率的突变体。这种定向进化的嵌合翻译系统能够在模型蛋白的许多位点上编码多个UAA，并在多个功能蛋白中的编码效率几乎与天然氨基酸的效率相同。同时，它还表现出明显的高保真度。令人印象深刻的是，这种设计的chPheRS/chPheT在琥珀抑制效率方面显示出65倍的增长。用于AzF整入的工程化chPheRS/chPheT随后被引入到一种商业化的大肠杆菌菌株中，以构建一种UAA依赖的合成营养缺陷体。

林世贤教授说，“通过在必需基因中引入框内琥珀密码子（amber codon），我们能够鉴定出几种严格依赖外源性UAA生长的合成营养缺陷体。”他补充说，“这项研究为合成依赖UAA的合成营养缺陷体提供了一种强大的通用技术，用于遏制转基因生物和开发减毒活疫苗。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Hongxia Zhao et al. Directed-evolution of translation system for efficient unnatural amino acids incorporation and generalizable synthetic auxotroph construction. Nature Communications, 2021, doi:10.1038/s41467-021-27399-x.