里程碑！Nature：首次证实使用“非天然碱基”可在活细胞合成蛋白最新发表在Nature杂志上的一项突破成果

生物探索编者按

最新发表在Nature杂志上的一项突破成果打破了生物学规则。科学家首次证实：非天然存在的碱基——X、Y——能够在活细胞中被用于合成蛋白质。哈佛医学院的“遗传学大牛”George Church评价这项工作为“探索生命基础材料的里程碑”。

地球上所有的生命形式都使用了相同的遗传字母（碱基）：A、T、C、G。这类含氮化合物构成了DNA的基本材料（下图），并组成了合成蛋白质的“指令”——密码子（由3个碱基组成，对应了组成蛋白质的不同氨基酸）。

A——腺嘌呤；T——胸腺嘧啶；C——胞嘧啶；G——鸟瞟呤；根据碱基互补配对原则，A与T配对、C与G配对。（图片来源：网络）

11月29日，发表在Nature杂志上的这项研究中，来自美国Scripps研究所的科学家们开发出了首个使用“额外字母”（也就是“非天然存在的碱基”）来合成蛋白质的细菌。论文的通讯作者是化学家Floyd Romesberg教授。

图片来源：Scripps研究所

研究中，科学家们将“非天然”的碱基对插入到了包含传统碱基对的细菌基因中。最终，这些细菌成功“阅读”了包含“非天然”碱基的DNA，并将其转录成了RNA分子。更重要的是，细菌还能够利用这些RNA分子产生绿色荧光蛋白的一种变体。这种变体蛋白包含了“非天然”的氨基酸。

1几十年发展历史

事实上，科学家们最初设想“扩大遗传字母表”要追溯到上世纪60年代初。1989年，该研究方向取得了首个成功。由化学家Steven Benner带领的研究小组创造了含有修改版C和G的DNA分子。研究还证实，含这些修改版碱基的DNA能够在试管反应中复制、转录翻译成RNA和蛋白质（论文见下图）。

图片来源：JACS

在过去的二十年里，Romesberg教授的研究小组也一直在致力于这方面的研究。不同于传统的碱基对以及Benner的研究小组创造出的碱基对（这些碱基对通过氢键相连），Romesberg等开发的这些“外来碱基”（foreign bases）是通过它们在水中的不溶性连接在一起（these foreign bases stick togetherbecause of their insolubility in water），这很大程度上模仿了油滴在水中的凝结。

不过，想要在活细胞中发挥作用，这些“外来碱基”需要与天然存在的碱基排列在一起，且不破坏DNA形状或扰乱DNA的基本功能，如复制、转录。

2相关研究不断取得进展

2014年5月，Romesberg实验室取得了一项突破成果。他们在Nature杂志发文，将大肠杆菌进行改造，插入了额外的碱基对——X和Y——到它们的DNA中。然而，尽管科学家们在当时创造了DNA携带非天然碱基对X-Y的大肠杆菌，但这使得大肠杆菌细胞分裂缓慢，并且，随着时间的推移，细胞往往会失去携带“外来碱基”的DNA。

图片来源：Nature

今年1月，Romesberg团队又有了新的进展。他们在PNAS杂志上发表的论文中，描述了一种更健康的半合成大肠杆菌。不过，尽管这种大肠杆菌变得不轻易排斥外来DNA，但依然缺乏使用它们的能力（即，用它们进行转录翻译等）。

值得高兴的是，在科学家们的不断努力下，在最新发表在的这篇Nature论文中，他们终于创造出了能够使用外来DNA合成蛋白质的健康细胞。为了让细胞能够使用这些非天然的碱基，研究人员创建了一种修改版的tRNAs，它的功能是读取密码子，并将合适的氨基酸运送到细胞的蛋白质工厂——核糖体中。研究实现了将两种非天然存在的氨基酸——PrK和pAzF整合到绿色荧光蛋白中。这些新的氨基酸没有改变绿色荧光蛋白的形状或功能。

Bacterial cells used their expandedgenetic code to make a modified version of a green fluorescent protein.（Images by William B. Kiosses）

3业内反响及应用前景

对于这项成果，西北大学化学和生物工程师Michael Jewett评价称：“这是一篇多么漂亮的论文！”

University of Richmond的生物学家和生物化学家Eugene Wu认为，这是工程学领域的一次“壮举”。

而英国卡迪夫大学的生物化学家Nigel Richards则感慨道：“一切都运作地很好，这是非常令人惊讶的。因为，这其实是一个非常复杂的系统，很多地方都可能会失败。”

By adding a new base pair, X and Y, toDNA"s A-T and G-C pairs, researchers will enable organisms to build proteinsfrom as many as 172 different amino acids.

那么，“非天然的外来碱基”究竟能用来做什么呢？科学家们说，天然存在的4种DNA碱基编码了20种氨基酸，但额外加入非天然的X=Y碱基对能够额外产生多达152种氨基酸，这可能会成为新药和新型材料的“基石”。

据悉，基于这些发现，Romesberg教授还创立一家生物技术公司，致力于将非天然的氨基酸整合到基于蛋白质的药物中。这种方法有望帮助设计更容易被细胞吸收或毒性更低的药物。

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参考资料：1）‘Alien’ DNA makesproteins in living cells for the first time

2）Scientists justadded two functional letters to the genetic code

3）Six-Letter DNAAlphabet Produces Proteins in Cells

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