连发三篇论文，名校团队重编译核糖体，建立一种可在自然界中创造聚合物的方法

合成生物学的改造越来越有创意，当然，一切都是为了最高目标——创造新的、有用的物质。

一个由多所大学化学家组成的研究小组尝试重组细胞的多肽制造工厂，即核糖体，来制造比目前在细胞或试管中生产的更为精细的聚合物链。核糖体是一个“翻译机”，它读取 mRNA 上承载的遗传信息并转译为氨基酸序列，进而折叠成紧凑的 3D 蛋白质。

他们的目标是，使翻译系统完全可编程，以便将 mRNA 指令与新的构建块（而不是今天存在的 α-氨基酸）一起引入细胞中，允许核糖体创建无限阵列的新分子链，包括生物聚合物和环状聚合物，扩展蛋白质和多肽作为材料和药物的功能和多功能性。

近期，该小组接连在 Nature Chemistry 和 ACS Central Science 杂志发表三篇新论文，宣布取得了重要进展。Alanna Schepartz 是美国国家科学基金会基因编码材料中心（C-GEM）主任、TZ 和 Irmgard Chu 特聘化学主席兼加州大学分子和细胞生物学教授，也是三篇文章的共同通讯作者之一。

总结来说，这三篇论文分别解决了三个主要障碍：如何重新编程细胞以向核糖体提供除今天构成所有蛋白质的 α-氨基酸以外的构建块；如何预测哪些构建块是最佳底物；以及如何调整核糖体以将这些新型构建块融入聚合物。

接连发表三篇论文

我们知道，线性蛋白质链几乎总是折叠成明确定义的 3D 结构。C-GEM 团队想要使翻译系统完全可编程，向核糖体提供如今发现的 α-氨基酸以外的氨基酸单体，从而让核糖体能够产生无限种新分子链，最终构成新的生物材料、新的酶、甚至新的药物。

为了实现这一目标，C-GEM 团队研究了将氨基酸单体加载到转移 RNA（tRNA）上的酶。转移 RNA 是将氨基酸运送到核糖体的分子。

在 6 月 1 日发表于 Nature Chemistry 的研究论文报道，该团队发现一个 tRNA 合成酶家族，可以用四种不同的非 α-氨基酸加载 tRNA，这些单体不同于之前加载在 tRNA 上的任何单体。其中一种单体是可用于组装聚酮化合物类分子的前体，包括抗生素、红霉素和四环素。实际上，几十年来，科学家们一直在尝试重新设计聚酮合酶模块以生成天然产物库。

研究中显示，大肠杆菌中的天然核糖体愿意接受新的单体。这就意味着，有可能将不同的化学成分整合到通常的全氨基酸蛋白质聚合物中。

研究人员希望由此能够协助开发具有独特作用机制的新型分子，帮助解决抗生素耐药性的问题。

（来源：Nature Chemistry）

在 5 月 30 日发表在 ACS Central Science 杂志的另一篇文章中，研究人员利用冷冻电镜获得了与大肠杆菌核糖体结合的三个相关单体的详细信息。值得注意的是，它们都不是 α-氨基酸。他们认为，尽管这些单体的效果远不如常规氨基酸，但为如何修饰单体或氨基酸提供了建议。

（来源：ACS Central Science）

在 6 月 12 日发表于 Nature Chemistry 的第三篇论文中，研究人员描述了大肠杆菌核糖体结合正常 α-氨基酸时的冷冻电镜结构。

（来源：Nature Chemistry）

建立一种可在自然界中创造聚合物的方法

该研究小组强调，所有这些对核糖体系统的修饰必须独立于活细胞中的正常核糖体起作用，这样新聚合物的产生才不会干扰生命所需的日常蛋白质的产生。“可以说，我们需要可以在细胞中使用的核糖体，这才是这项工作的可扩展性。”

对于想实现的目标，研究人员举例说，通过对核糖体进行编程，使其合成一种蜘蛛丝（最坚韧的天然蛋白质之一）和尼龙（一种现在在化学反应室中制造的聚合物）之间的杂交聚合物。虽然蜘蛛丝现在可以用基因工程微生物制成，但 C-GEM 正在开发的技术可以让类似的微生物制造出无数种聚合物，将丝绸和尼龙的构建块混合在一起，这些聚合物是全新的且具有独特的特性。该技术还可用于制造比天然蛋白质更耐热的类蛋白质聚合物。

可以合成聚合物的可编程核糖体机器的一个强大功能是，它允许研究人员修改聚合物，以完善其活性，就像蛋白质经过数亿年的进化以增强细胞和生物体的健康一样。

研究人员强调，其所要实现的是建立一种可能在自然界中创造聚合物的方法。