近日來自美國薩克生物研究所及加州大學圣地亞哥分校的研究人員成功地構建出了新的人造細菌菌株，這些菌株能夠生成多個位點整合“非天然”氨基酸（除作為生物基礎元件的20種天然氨基酸之外的人造氨基酸）的新型蛋白質。這一研究成果有可能被廣泛應用于生物過程研究、藥物研發、藥物合成和生物燃料等領域。相關研究論文發表在9月18日出版的《自然化學生物學》（Nature Chemical Biology）雜志上。

領導這一研究的是薩克生物研究所杰出青年科學家王磊（Lei Wang）博士。其早年畢業于北京大學化學系，2002年獲美國加州大學伯克利分校博士學位，而后在圣地亞哥分校從事博士后研究工作。現任薩克生物研究所助理教授。曾獲得2002年全美“大學發明家競賽 (Collegiate Inventors Competition) ”最高獎，2003年“世界杰出青年科學家獎（Young Scientist Award,Grand Prize）”，2004年“全球杰出青年創新者（Top Young Innovator,TR100）”獎，2006年“貝克曼青年學者（Beckman Young Investigator）”等獎項。

 “這一研究為我們提供了更多的空間去思考如何利用蛋白質合成，”王磊說：“它向我們展示了包括研制出在血液中維持時間更長的藥物，或以更環保的方式來制造化合物等各種新的可能。”

2001年，王磊和他的同事們第一次制造出了將非天然氨基酸(Uaas)整合進蛋白質的細菌。2007年他們首次在哺乳動物細胞中應用了該技術。他們制造出了一種“擴展遺傳代碼”，用其覆蓋細胞的遺傳代碼，并指導這些細胞在蛋白質構建過程中使用人造氨基酸，從而將人造氨基酸整合進蛋白質中。

將非天然氨基酸添加進蛋白質可使蛋白質的化學性質發生改變，從而為科研人員未來開展研究，藥物研制及化合物合成提供了強有力的新工具。

例如，王磊和同事們將受到某些顏色光線照射在顯微鏡下會發光的非天然氨基酸插入到蛋白質中。由于蛋白質是執行大量細胞功能的物質基礎，在活細胞中實時觀測蛋白質的合成情況將幫助科學家們更好地解析與疾病發生和衰老相關的生物學機制。

現在已有人將這些經過遺傳修飾的細菌用于制藥行業，例如取代動物胰腺生成調控糖尿病患者血糖的合成胰島素。

雖然利用DNA重組技術將非天然氨基酸整合入蛋白質中可得到功能更加強大的蛋白質，但在擴展該技術應用范圍的前進道路上還存在著一個重要的障礙即一次只能將一個非天然氨基酸整合入蛋白質中。

為了能將包含非天然氨基酸的指令整合到細菌遺傳代碼中，王磊和同事利用了在蛋白質遺傳藍圖中的一種特殊代碼序列——終止密碼子。在蛋白質合成過程中，終止密碼子會告訴細胞機器停止向形成蛋白質結構骨架的序列添加氨基酸。

2001年，王磊和同事通過選擇性插入終止密碼子的方式修改了大腸桿菌的遺傳序列， 隨后將一些經遺傳工程改造的分子導入到細菌中，幫助將一個非天然氨基酸嵌入到終止密碼子內。這種改造的細菌能生成骨架中整合了非天然氨基酸的蛋白質。

然而當時存在一個問題，即一種名為釋放因子1(RF1)的蛋白質會導致整合非天然氨基酸的蛋白質合成過早終止。盡管科學家們能夠將包含非天然氨基酸的終止密碼子插入到遺傳序列的多個位點上，然而RF1卻可使蛋白質合成終結在第一個終止密碼子，從而無法生成包含多個非天然氨基酸的長鏈蛋白質。

 “要想真正地利用這一技術，科學們必須要能夠對多處整合非天然氨基酸的蛋白質進行遺傳工程改造，并高效地合成出這些蛋白質，”王磊說：“盡管看起來富有潛力，然而此前卻很難將其變為現實。”

在新研究中，薩克生物生物研究所的研究人員和加州大學的合作者們對如何突破這一問題進行了探討。由于RF1會阻礙包含非天然氨基酸的長鏈蛋白質生成，科學家們于是敲除了生成RF1的基因。由于RF1基因被移除會導致大腸桿菌死亡，于是他們制造出了另一種替代因子——釋放因子2(RF2)來維持基因工程改造細菌生存。

研究人員最終獲得了一類能夠高效生成多個位點包含非自然氨基酸蛋白質的細菌菌株。這些合成分子為研制出生物功能遠超只包含天然氨基酸的蛋白質的藥物帶來了新希望。此外，還可將其作為制造從工業溶劑到生物燃料等任何產品的基礎，幫助解決與以石油為基礎的制造業和運輸業相關的各種經濟和環境問題。

 “這是我們第一次制造出能夠高效生成多個位點包含非自然氨基酸蛋白質的活性細菌菌株，”王磊說：“盡管我們還有很長的路要走，但這使得科學家們朝向在生物工程學領域使用非天然氨基酸的現實又進了一步。”