新药研究新途径：细菌基因编辑

所有的生物都是由20种不同的氨基酸组合构成蛋白质的。如果将更多新氨基酸掺入天然蛋白质结构内，将能改变蛋白质结构，也一定能建立新的蛋白质功能。利用这个简单思路，为了向混合物中添加新的氨基酸，科学家们重新设计了基因和其他一些蛋白质构建机制，从而产生了具有独特化学性质的蛋白质，用于制造药物。

但是，这项工作一般是非常费力的，且通常一次只能添加一个新的氨基酸。不过研究人员已经打开了做更多事情的闸门。最新报告说，对一种细菌基因组的广泛重写，可以实现在一种蛋白质中添加许多新氨基酸的目标。这项工作可能为合成抗生素和抗肿瘤药物开辟新途径。

“这篇论文给我留下了深刻印象，”加州大学欧文分校的合成生物学家Chang Liu说。“这是基因编码重组过程中的一个重要里程碑。”

这一努力已经进行了几十年。制造“设计蛋白”的一种早期方法是强占制造蛋白质的细胞成分，让它们插入非自然的氨基酸。细胞合成蛋白质时，DNA编码,C、G和T首先复制到mRNA (U取代T)。mRNA解读为一系列的三个字母的单词,称为基码,其中大部分代码是在蛋白质插入一个天然氨基酸。因为有64个三字母密码子，就有一些事重复的。例如，有6个密码子负责编码丝氨酸。3个密码子不编码一个氨基酸。相反，它们会指示细胞停止制造蛋白质。

最初，研究人员通过让细胞机器在看到特定的终止密码子时添加一个氨基酸来插入非自然氨基酸。医学研究委员会分子生物学实验室的合成生物学家贾森•钦(Jason Chin)表示，尽管这种方法已经变得更加复杂，但通常情况下，每个蛋白质仍只能插入一个氨基酸。

为了增加更多密码子，Chin和同事们试图重新利用通常为丝氨酸编码的6个密码子中的两个。在2019年的一项研究中，研究人员使用CRISPR-Cas9基因编辑工具创建了一种名为Syn61的大肠杆菌菌株。为了制造它，他们替换了该细菌400万碱基长的基因组中超过18000个丝氨酸密码子。研究人员将UCG、UCA和终止密码子UAG分别替换为它们的“同义词”AGC、AGU和UAA。这意味着丝氨酸仍然会被整合到Syn61生长中的蛋白质的正确位置上。但是UCG、UCA和UAG密码子现在实际上是“空白”，不再编码蛋白质中的任何东西，因此可以被重新利用。

这种重新利用正是Chin和他的同事们现在所完成的。与Syn61合作，科学家们删除了一种被称为转移RNA (tRNAs)的分子的基因，这种分子可以识别UGC和UCA，并将丝氨酸插入生长中的蛋白质中。他们还去除了对UAG停止密码子产生反应而关闭蛋白质合成的化学化合物。然后，研究人员在遇到UGC、UCA或UAG时，添加新的tRNA来插入非自然氨基酸。最后，他们将这些密码子写回到基因组中，在那里他们希望出现非自然氨基酸。研究人员今天在《科学》杂志上报告说，这使得他们可以在单个蛋白质中同时添加三种非天然氨基酸。他们也可以为每一份写多份副本。

波士顿学院的合成生物学家Abhishek Chatterjee说:“它确实产生了影响。”这些变化使得Chin和他的同事将新的氨基酸串成一系列环状结构，与现有的抗生素和抗肿瘤药物非常相似。因为有几十种不同的非自然氨基酸可供选择，无数的组合可以以这种方式插入。Chatterjee说，这为创建潜在新药的巨大图书馆打开了大门。Chin补充说，研究人员还可以扩展这个策略，重新利用其他多余的密码子，在混合中添加更多新的氨基酸和更多的化学多样性。

刘说，也许同样有趣的是，大规模的基因组变化对通常感染大肠杆菌的病毒意味着什么。2013年，研究人员报告称，重组大肠杆菌的停止密码子可能会破坏病毒复制的能力。这是因为病毒依赖于大肠杆菌的天然密码子来制造功能性蛋白质。这种策略在阻止病毒感染方面并不是万无一失的，因为终止密码子并不经常出现，而且一些病毒能够围绕这些变化进化。

但是病毒通常需要在每种蛋白质中含有更多的丝氨酸。由于修改后的Syn61在其蛋白构建机制读取UCG或UCA密码子时不再插入丝氨酸，病毒无法让Syn61构建有效的病毒蛋白，从而阻止它们在细菌细胞中复制。

“这看起来比之前的方法更稳健，”刘先生说。他补充说，这对希望保护生产药物或其他有价值化学品的工程生物的生物技术公司来说可能是一个福音。

An early Miocene extinction in pelagic sharks | Science (sciencemag.org)