氨基酸还能菌解码(长见识，人工改变遗传密码，居然成功了（2篇Nature报道）)

iNature：地球上的所有生命都使用碱基A，T，C和G-含氮化合物的相同遗传字母表。现在，科学家已经开发出第一种使用额外字母或非自然碱基来构建蛋白质的细菌。新的研究建立在团队以前扩大自然遗传密码的努力之上。 2014年，科学家设计了大肠杆菌细菌，在其DNA中加入了一对碱基（X和Y）。细菌可以存储非自然存在的碱基，并将它们传递给子细胞。但要有用，这些碱基需要转录成RNA分子，然后翻译成蛋白质。因此，在这项新的研究中，研究人员将“外来”碱基对增加到含有传统碱基的细菌基因中。微生物成功地“读取”含有非天然碱基的DNA，并将其转录成RNA分子。更重要的是，细菌可以使用这些RNA分子来产生含有非天然氨基酸的绿色荧光蛋白变体。传统的四个DNA碱基编码20个氨基酸，但是X和Y的加入可以产生多达152个氨基酸，这可能成为新药和新材料的基石。

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——2014年Nature—–

从细菌到篮球运动员，我们所知的所有生命都使用两对DNA字母编码遗传信息。不过现在， 加利福尼亚州实验室生长的细菌可以结合并复制第三个人造字母对。就目前而言，人造碱基称为X和Y，不能编码任何东西，不像天然DNA碱基对，它们以各种组合编码构成蛋白质的20种不同的氨基酸。但是新扩大的遗传密码为合成生物学家打开了一扇门，可以从自然和人造的多达172种不同的氨基酸中构建他们的蛋白质，这对于药物和材料开发者来说是一个潜在的好处。

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德克萨斯大学奥斯汀分校的分子生物学家Ross Thyer说：“这是一个令人惊奇的创新型的技术。”他在本周的“自然”杂志上报道说。这个壮举不仅为新的蛋白质领域开辟了道路，而且还为研究人员提供了一个探索DNA进化的新平台，以及为什么所有生命都只限于五个碱基。 （在RNA中，T被U取代）

创造合成超级细菌听起来可能不好听。但是加利福尼亚州斯坦福大学的生物化学家埃里克·库尔（Eric Kool）说风险很低。库尔说：“这些生物体不能在实验室外生存。事实上，他们甚至不能自己建立X和Y（更正式地称为d5SICS和dNaM）：研究人员合成基础并将其喂给细菌。 Kool说：“就我个人而言，我认为修改DNA的危险性比现有的基因工程更危险。

几十年来，试图扩大生命遗传字母表的合成生物学家提出了一些替代遗传字母。包括加利福尼亚州圣地亚哥Scripps 研究所生物化学家弗洛伊德·罗马斯伯格（Floyd Romesberg）领导的一些小组，甚至设法获得称为DNA聚合酶的DNA复制蛋白，以复制包含替代字母的DNA链。但这是在试管中实现的，而不是在活细胞内部实现的。

获得活细菌复制改变的DNA完全是另一个挑战。细菌需要自己合成新的基因信号，或者从周围的培养基中导入。在藻类中，Romesberg和他的同事发现了一种可以捕获核苷酸碱基并将其拉入细胞的蛋白质。他们将这种转运蛋白的基因剪接到大肠杆菌中，发现它能使细菌吸入预合成的X和Y碱基。该团队还设计了他们的大肠杆菌来携带携带X-Y对的称为质粒的DNA小环。当细菌复制这些质粒时，他们使用新进口的X和Y碱基 – 但工程细胞和他们的表亲一样好。

接下来罗马斯伯格说，他希望用他扩大的遗传字母来创造设计师蛋白质。 Scripps生物化学家彼得·舒尔茨（Peter Schultz）等人已经设计出细菌来构建具有超过自然标准20的数十种氨基酸的蛋白质。但是这些实验使用天然DNA来编码非天然氨基酸。 Thyer说，新扩大的遗传字母应该产生更多样化的蛋白质，这些蛋白质具有各种各样的新化学功能，例如能够在体内生存的药物以及能够自我组装的基于蛋白质的材料。 Romesberg表示，已经开始尝试新的蛋白质世界了。

——2017年Nature—–

由于至少是地球上所有生命的最后一个共同的祖先，基因信息已经被存储在一个由四个字母组成的字母表中，通过形成两个碱基对被传播和恢复。合成生物学的核心目标是创造新的生命形式和功能，实现这一目标的最普遍途径是创造半合成生物体，其DNA含有两个额外的字母，形成第三个非自然碱基对。

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先前产生这种半合成生物体的努力最终导致产生大肠杆菌菌株，该菌株凭借来自三角褐指藻的三磷酸核苷转运蛋白从其培养基中添加必需的非天然三磷酸，然后使用它们复制含有非自然碱基对dNaM-dTPT。

尽管与天然生物相比，半合成生物存储增加的信息，但是检索信息需要体内非天然碱基对转录成mRNA和tRNA，用非规范氨基酸使tRNA氨酰化，以及在核糖体解码的非天然碱基对。在这里，Romesberg研究组报告含有dNaM和dTPT的DNA，在体内转录成为具有两个不同非天然密码子的mRNA，以及它们在核糖体处的有效解码以指导天然或非规范氨基酸的位点，特异性掺入superfolder绿色荧光蛋白。结果表明，氢键以外的相互作用可以有助于信息存储和检索的每一步。由此产生的半合成有机体既编码和检索增加的信息，应作为创造新的生命形式和功能的平台。

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Romesberg已经在La Jolla建立了一家叫做Synthorx的生物技术公司，试图将非天然氨基酸掺入基于蛋白质的药物，例如调节白细胞数量的蛋白质IL-2。这种方法可以用来设计更容易被细胞吸收的药物，或者毒性更低或者分解更快的药物。蛋白质也可以被设计成具有常规氨基酸缺乏的性质，例如强烈吸引电子的能力。罗伯斯伯格说：“这就像在糖果店当孩子一样。但在这种情况下，“这个孩子花了20年的时间幻想着进入那家糖果店，突然间，我正想着我能拿到什么样的糖果。”

Benner领导的团队和新加坡生物工程与纳米技术研究所的生物化学家Ichiro Hirao已经开发出使用外源DNA编码非天然氨基酸的试管系统。但是Hirao看到了进入活细胞的优势。他说，含有非天然氨基酸的蛋白质可以使用细菌细胞在更大规模和更便宜的条件下制造。将该技术引入真核细胞也可以开发新的抗体药物。

然而，现在在佛罗里达州盖恩斯维尔附近的应用分子进化基金会的贝纳建议说，因为罗马斯伯格的系统依赖于相对较弱的疏水力将外来的碱基对组合在一起，其在工业应用上的潜力可能是有限的。 Benner说，细胞可以耐受稀有的外源基因，但是“根本无法建立起一个完整的遗传系统”。

Romesberg和他的同事现在正在进一步扩大他们的遗传字母表。到目前为止，该团队已经确定了另外12个含X和Y功能的密码子，Romesberg说，但“还有很多事情要做”。

注：主要整理以下5篇文章，同时适当的加入自己的观点。

文章链接：

http://www.sciencemag.org/news/2014/05/designer-microbes-expand-lifes-genetic-alphabet

http://www.sciencemag.org/news/2017/11/scientists-just-added-two-functional-letters-genetic-code

https://www.nature.com/articles/nature24659

https://www.nature.com/articles/nature24659

https://www.nature.com/news/alien-dna-makes-proteins-in-living-cells-for-the-first-time-1.23040