细菌利用非天然DNA构建非天然蛋白质|研究|化学世界manbetx手机客户端3.0

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半合成生物表明，我们所知道的生命化学并没有什么独特之处

美国的研究人员已经证明了生命使用替代生物化学的能力，他们首次证明了这种主力细菌大肠杆菌可以利用DNA中的非天然碱基对来制造含有非天然氨基酸的蛋白质。¹

虽然之前已经报道过含有非天然碱基对的DNA的复制，但这是第一次将它们所提供的更多信息用于活细胞。

它提出了一种可能性，即其他世界的生命可能不会使用与我们相同的生化基础。

来源:改编自斯克里普斯研究所William B. Kiosses创作的图片

这种半合成细菌被改造成含有非天然氨基酸的绿色荧光蛋白

“长期以来，人们一直认为生命分子是特殊的，与其他类型的分子不同，”他说弗洛伊德Romesberg美国拉霍亚斯克里普斯研究所的研究员。“我们已经证明了这可能不是真的。我们的人造部分，非自然碱基对，可以在所有生物过程中发挥最核心的作用:信息的存储和检索。”

这项工作也朝着创造具有全新功能的药物和生物迈出了一步。Romesberg说:“真正推动我们的直接目标是使用半合成生物来创造新的蛋白质药物类别。”“蛋白质药物已经彻底改变了医学，但它们的特性，以及它们可以用来治疗的疾病，在某种程度上必须受到它们的成分的限制。他希望自己的方法能够拓宽这一领域。

翻译的任务

Romesberg和其他小组的早期工作表明，非天然碱基对可以插入生物体的DNA中，但使用它们来写入和读取遗传信息则是另一回事。基因通过信使RNA (mRNA)和转移RNA (tRNA)被翻译成蛋白质，它们在称为核糖体的多蛋白酶中聚集在一起，将tRNA所含的氨基酸连接成蛋白质。

每个氨基酸由不同的tRNA携带，该密码是通过将mRNA上的三核苷酸密码子与tRNA上的互补反密码子匹配来读取的。因此，要读取非天然核苷酸对中的信息，互补的伙伴必须被纳入mRNA和tRNA中，并在核糖体中发挥作用。这就是Romesberg和他的同事们所取得的成就。

来源:改编自Dennis Sun的图片，Mezarque Design

非自然碱基对必须与mRNA和tRNA结合，它们在蛋白质合成过程中配对

特别值得注意的是，它们的新碱基对不像正常的DNA碱基那样通过氢键连接在一起。相反，它包含了体积庞大的有机杂环基团，这些基团在水中通过疏水单元的相互吸引而相互粘附。斯克里普斯小组已经证明，经过工程改造的细菌tRNA具有含有非天然对的一个组成部分的反密码子，可以识别并粘附在添加到细胞的DNA质粒中对应基因转录的mRNA中的互补密码子上。

一个关键的技巧是使用对其非天然反密码子不敏感的trna负载酶，例如大肠杆菌含有氨基酸丝氨酸的tRNA合成酶。研究人员首先使用该系统将丝氨酸插入到由非天然碱基对编码的标准蛋白质——绿色荧光蛋白(GFP)上。

人造碱基对(a)的化学结构不同于自然界中发现的核苷酸。它被改造成编码GFP (b)的基因，细菌用来制造含有非天然氨基酸的蛋白质版本。

然后他们野心更大，用同样的方法将非天然氨基酸插入蛋白质中。首先，他们将丝氨酸- trna合成酶的基因替换为一种用于不同微生物的酶的基因，甲烷八叠球菌属巴氏细菌它使用一种罕见的氨基酸吡咯赖氨酸。研究人员使用这种tRNA合成酶向GFP添加了一种非天然的吡咯赖氨酸衍生物。为了进一步说明扩展的氨基酸字母表，他们还使用了太古宙中的tRNA合成酶产甲烷球菌属jannaschii使绿色荧光蛋白含有明显非正统的氨基酸p-azido-phenylalanine。