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科学家用扩展的遗传密码指导细菌进化以产生极高的耐热性

近年来,科学家们设计了具有扩展遗传密码的细菌,这些细菌产生的蛋白质由更广泛的分子构建块组成,为蛋白质工程开辟了前景。

科学家用扩展的遗传密码指导细菌进化以产生极高的耐热性

现在,斯克里普斯研究的科学家已经证明,这种合成细菌可以在实验室中进化蛋白质,使用自然界20个氨基酸构建模块可能无法实现的机制增强特性。

研究人员发现,一些细菌会将细菌与人工扩增的遗传密码暴露在无法正常生长的温度下,从而进化出新的耐热蛋白质,这些蛋白质在通常会失活的温度下保持稳定。研究人员在美国化学学会期刊(JACS)上报道了他们的发现。

实际上,地球上的每个生物体都使用与构建块相同的20个氨基酸来制造蛋白质 - 这些大分子可以发挥大部分细胞功能。JACS论文的高级作者兼Scripps Research总裁兼首席执行官Peter Schultz博士开创了一种重新编程细胞自身蛋白质生物合成机制的方法,为蛋白质添加新的氨基酸,称为非经典氨基酸(ncAAs),常见的20种氨基酸中没有的化学结构和性质。

这种扩展的遗传密码在过去被用于合理设计具有新特性的蛋白质,用作研究蛋白质如何在细胞中起作用的工具以及作为癌症的新的精确工程药物。研究人员现在询问,具有扩展遗传密码的合成细菌是否比那些限制在20个构建模块的细菌具有进化优势 - 从进化健身的角度来看,21个氨基酸的代码是否优于20个氨基酸的代码?

“自从我们第一次扩大可以掺入蛋白质的氨基酸范围以来,已经开始使用这些系统来设计具有新特性或增强特性的分子,”Schultz说。“在这里,我们已经证明,将扩展的遗传密码与实验室进化相结合可以创造出具有增强特性的蛋白质,这些蛋白质在自然界更有限的情况下可能无法实现。”

科学家们首先调整了大肠杆菌的基因组,以便细菌可以使用21个氨基酸代码而不是常见的20个氨基酸代码生成蛋白质高丝氨酸o-琥珀酰转移酶(metA)。一种重要的代谢酶metA决定了大肠杆菌繁殖的最高温度。高于该温度,metA开始失活,细菌死亡。研究人员随后制作了metA的突变体,其中天然蛋白质中的几乎任何氨基酸都可被第21个非常规氨基酸取代。

在这一点上,他们让自然选择 - 进化的核心机制 - 发挥其神奇作用。通过将细菌加热到44摄氏度 - 正常的metA蛋白无法发挥作用的温度,结果细菌无法生长 - 科学家们对细菌群体施加了选择性压力。正如预期的那样,一些突变细菌能够存活超过其典型的温度上限,这要归功于拥有更加热稳定的突变体metA - 所有其他细菌都死亡。

通过这种方式,研究人员能够驱动细菌进化出一种突变的metA酶,它可以承受比正常温度高21度的温度,几乎是人们通常在限制在普通20氨基酸建筑物内的突变时所达到的热稳定性增加的两倍。块。

研究人员随后确定了导致突变体metA的特定基因序列变化,并发现它是由于其一种非经典氨基酸的独特化学特性,实验室进化以一种巧妙的方式来稳定蛋白质。

“令人惊讶的是,如何利用自然界中不存在的新氨基酸进行这种小突变,可以显着提高蛋白质的物理性质,”Schultz说。

“这个实验提出了20个氨基酸代码是否是最佳遗传密码的问题 - 如果我们发现具有扩展代码的生命形式将具有进化优势,如果上帝在第七天工作,我们会怎样在代码中添加了几个氨基酸?“

除了Schultz之外,该研究的作者,用基因编码的非经典氨基酸增强蛋白质稳定性,包括Scripps Research的Jack C. Li,Tao Liu,Yan Wang和Angad P. Mehta。该研究得到了美国国立卫生研究院的支持(授予R01 GM062159)。

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