為大家分享一篇發(fā)表在Science上的文章，文章通訊作者是來自劍橋大學分子生物學實驗室的Jason Chin教授，他們實驗室開創(chuàng)性地對重新編程生物遺傳密碼方法進行了開發(fā)和應用。這篇文章中，他們通過對大腸桿菌中同義密碼子進行壓縮、重新分配及細菌的實驗進化，實現(xiàn)了細菌抗病毒和編碼翻譯非天然氨基酸聚合物兩項功能。
天然氨基酸大都由一個以上的同義三聯(lián)密碼子進行編碼。人們普遍假設，去除有義密碼子并從基因組中讀取它們對應的 tRNA，即可創(chuàng)造具有自然生物學中未發(fā)現(xiàn)的，包括新的病毒抗性模式和編碼非經(jīng)典雜聚物等特性的細胞。相比于僅改造琥珀密碼子，有義密碼子的改造和重分配在理論上可以更高效地提高病毒抗性，豐富聚合物單體種類。然而，此前的研究者并沒有成功地驗證這些假設。在本文中，作者用合成的重編碼基因組創(chuàng)建了對病毒有強抵抗力的大腸桿菌菌株Syn61Δ3。此外，基于這一菌株，作者成功實現(xiàn)了非天然氨基酸 (Noncanonical Amino Acids, ncAAs) 的編碼摻入以及非經(jīng)典雜聚物和大環(huán)化合物的可編碼細胞合成。
作者基于此前工作中創(chuàng)造的大腸桿菌Syn61，設計了新型的Syn61Δ3菌株。在Syn61中，兩個有義密碼子（絲氨酸密碼子TCG和TCA）和一個終止密碼子（TAG）都被同義密碼子替換。本文中，作者進化了Syn61，刪除了解碼 TCG、TCA 和 TAG 密碼子的 tRNA 和釋放因子（Release factor, RF）。serU（編碼tRNA Ser CGA）、serT（編碼tRNA Ser UGA）和prfA（編碼 RF1）的刪除會使 UCG、UCA 和 UAG 密碼子不可讀，并且核糖體將在包含它們的 mRNA 中的這些密碼子處停滯。由于病毒基因組中有義密碼子的豐度遠高于琥珀密碼子，且存在于病毒基因的整個長度內(nèi)。因此，當病毒感染細菌時，細菌內(nèi)無法有效產(chǎn)生全長的病毒蛋白。T6噬菌體感染Syn61Δ3的實驗中顯示，病毒整體滴度穩(wěn)定下降，且T6感染對Syn61Δ3的生長影響很小，同時噬菌體混合物處理細胞的實驗也得到了相似的結果。由此可知，Syn61Δ3對病毒產(chǎn)生了顯著的、廣譜的抗性。
接下來，作者為ncAA重新分配了合并的目標密碼子，用于編碼合成聚合分子。將正交 aaRS/tRNA YYY對（其中YYY是正交 tRNA的反密碼子序列）引入Syn61Δ3感興趣的基因中。正交對會指導非天然氨基酸（ncAA）的摻入,以響應 XXX 密碼子。使用可識別不同ncAA并解碼不同密碼子的工程化相互正交氨酰-tRNA 合成酶 (aaRS)/tRNA 對，將 TCG、TCA 和 TAG 密碼子分配給Syn61Δ3中不同的ncAA?；诖?，作者將該體系應用于編碼聚合物和大環(huán)的實驗中。結果顯示，通過將兩種單體A和B分別分配給TCG和TAG密碼子，他們成功合成了非天然氨基酸組成的多聚體和大環(huán)復合物。
本文作者：FTY
文章鏈接：https://science.sciencemag.org/content/372/6546/1057
