生命体中的蛋白质是由有限的20个天然氨基酸组合而成，这很大程度上限制了蛋白质一些化学和功能的应用范围。在过去几十年中, 科学家们为了在蛋白质中加入非天然氨基酸(noncanonical amino acids, ncAAs)做了各种尝试, 基因密码子扩展(GCE)技术便是其中之一，其能实现在生物体内任意目标蛋白的特定位点引入非天然氨基酸.这一技术是利用与宿主细胞生物正交的氨酰-tRNA合成酶/tRNA对(aminoacyl-tRNA. synthetase, aaRS)/tRNApairs), 利用终止密码子(UAG/UGA/UAA)编码非天然氨基酸。迄今为止，大约有200个非天然氨基酸插入到蛋白质中。

然而这些非天然氨基酸必须外源供给，通常以数毫摩尔的浓度下表达重组蛋白。但是非天然氨基酸一般需要化学制备，合成过程较为繁琐，成本较高，阻碍了该技术的广泛应用。近日，北京大学刘涛课题组开发了一种通用、廉价、高效的生物合成非天然氨基酸并将其高效插入到蛋白质中的系统，通过利用简单的市售或者仅通过一步简单合成的前体分子（芳基硫酚或芳基硒酚）加入到大肠杆菌培养基中，可将大约50种新型非天然氨基酸加入到重组蛋白中，这极大地扩展了蛋白质模块构建的化学和功能多样性。

该系统是基于大肠杆菌中半胱氨酸的生物合成途径，通过“劫持”半胱氨酸合成酶（CysM酶）来实现的，该酶以乙酰基丝氨酸和硫氢根离子为底物，催化生成半胱氨酸。CysM酶具有底物识别广泛的特点，除了识别硫氢根离子以外，还可以高效识别不同结构的芳香巯基或硒基的前体小分子。刘涛课题组通过人为添加近50种前体分子，在大肠杆菌内生成这些结构的半胱氨酸类似物。为了进一步优化生物合成途径，提高非天然氨基酸产量，通过表达不受半胱氨酸反馈抑制的上游关键酶O-乙酰丝氨酸转移酶基因AtSat3或NtSat4，进一步提高非天然氨基酸产量。随后以绿色荧光蛋白表征了插入生物合成非天然氨基酸的效率。并且以小分子4-叠氮基苯硫酚（22）为例首次建立了一套基于前体小分子筛选氨基酸的氨酰-tRNA合成酶策略，可进一步提高插入效率。

该策略可应用到其他许多的模式蛋白，在开发蛋白质药物、疫苗、荧光、红外或核磁共振探针、金属结合剂以及扩展编码蛋白质中氨基酸侧链的化学空间等方面都有潜在的用途。例如,文章介绍的两个含有生物合成的非天然氨基酸 S-(4-azidophenyl)-L-cysteine和S-(4-acetylphenyl)-L-cysteine的抗体片段Fab，可通过发生生物正交反应偶联荧光以及PEG分子。他们的反应活性与其相应的可用于目前蛋白药物（IL2-PEGylation和HER2抗体药物）开发的非天然氨基酸p-azido-L-phenylalanine和p-acetyl-L-phenylalanine活性相当。

刘涛课题组通过将生物合成非天然氨基酸以及基因密码子技术有机结合起来，将细胞变成了生成非天然氨基酸以及各种蛋白质的工厂。不仅拓展了蛋白质定点修饰分子的多样性而且通过使用Mj酪氨酸-tRNA 合成酶/tRNA对极大提高了蛋白表达产量，甚至可在一个蛋白上同时插入三个相同的上述生物合成的非天然氨基酸，对于蛋白质类药物的实验室研究以及工业化生产极具潜力。本文三位共同作者分别是北京大学药学院博士生王永，博士后陈晓旭以及硕士生蔡文康。

来源：X-MOL