作者:Jason Chin 来源:《自然》 发布时间:2024/1/19 10:11:36
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生命只能利用20种氨基酸?英国科学家打破僵局

 

生物学教科书告诉我们,地球上所有生命体的蛋白质都只由20种氨基酸构成。理论上说,氨基酸的种类可以是极其庞大的,但为什么生命体中只出现了这20种氨基酸?长久以来,科学家一直在探索这一问题,并试图使用其他氨基酸构建蛋白质。

1月10日,英国医学研究委员会分子生物学实验室(LMB)的研究团队在《自然》杂志报告说,他们开发出一种有效的方法来诱导细菌,可将结构上不寻常的非常见氨基酸添加到蛋白质中,目前已成功了4个氨基酸。

从化学结构上说,生物体使用的20种常见氨基酸都被称为α-氨基酸,此外还有分子主链上有独特曲折的β-氨基酸和γ-氨基酸。制造蛋白质最便宜的方法是设计活细胞来生产蛋白质,合成化学家曾将数十种非标准的α氨基酸掺入蛋白质中,合成出一种新的生命形式,但大量结构更奇异的氨基酸还没有成功过。

蛋白质合成有两个关键步骤:转录和翻译——首先,短链的转运RNA(tRNA)将氨基酸运送到细胞的蛋白质组装器——核糖体中,每个tRNA都能编码特定的氨基酸,通过氨酰tRNA合成酶将氨基酸连接到合适的tRNA上;其次,携带着氨基酸的tRNA与包含所有遗传信息的信使RNA(mRNA)长链结合,完成遗传信息的复制,随着核糖体的移动,把氨基酸不断输送到这个长链中。

苏黎世大学的化学家Alexandria Deliz Liang将蛋白质制造比作组装火车:首先必须装载火车车厢,然后将这些车厢连接在一起。为了生产新种类的蛋白质,研究人员必须让这两个步骤同时发挥作用。LMB的化学家Jason Chin补充道:“如果其中任何一个不起作用,系统就会失败。”。

在第一步中,生命体使用的20种氨基酸,均有其相应的氨酰tRNA合成酶,能专一性地辨认氨基酸的侧链和tRNA。正是因为这样专一性酶的存在,mRNA的遗传信息才能准确无误地反映在蛋白质的氨基酸序列上。

研究人员以此为突破口,通过突变氨酰tRNA合成酶的基因,创造出数百万种可能与外来氨基酸结合的替代版本。然后,他们将这些酶插入大肠杆菌,观察核糖体是否能成功地将这些外来氨基酸结合到蛋白质中。结果发现了8种成功装载外来氨基酸的酶,其中4种能被大肠杆菌的天然核糖体结合到生长中的蛋白质链中,包括3种β-氨基酸和1种α-α-氨基酸。

“我们打破了僵局。”Chin说。

未参与此项研究的加州大学欧文分校化学家Chang Liu表示:“将这些新类别的氨基酸转化为蛋白质是一项巨大的成就。”威斯康星大学麦迪逊分校的化学家Samuel Gellman表示,尽管这只是原理的证明,但很可能会对未来产生重大影响。首先,这种方法有助于医药公司设计对体内酶具有耐药性的蛋白质类药物;其次,由于这些不常见的氨基酸的形状与标准版本不同,这种方法还可以用于改进工业催化剂。

不过,这项研究仍然依赖于核糖体能否接受不寻常的氨基酸。因此,研究团队也在努力改变核糖体本身,希望通过系统突变,使其能够识别自然界中没有的tRNA编码,并接受形状不寻常的氨基酸。Chin表示,随着研究的推进,相信团队能够对细菌进行改造,制造出完全由非常见氨基酸组成的、拥有全新特性的蛋白质类聚合物材料。(来源:中国科学报 陈欢欢)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06897-6

 
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