《Science》：大肠杆菌合成高分子，一步步走向现实！

2021-05-25 10:34:42

自然界中的生物使用64种三重密码子编码包含20种常规氨基酸并实现天然蛋白质合成。而很多氨基酸由多于一种的同义密码子编码。现在学界广泛猜测如果移除某些有意义的密码子以及相关可以读取它们的tRNAs可能能够使细胞具有各种不同的性质，包括新的抗病毒模式以及有能力编码非常规杂聚物的生物合成。然而，这些假设仍然没有在实验室中被证实。有实验将Escherichia coli的释放因子1（RF1，可有效翻译TAG终止密码子）移除后发现它具有对有限几种噬菌体的抵抗能力。然而，这种能力并不普遍，很多噬菌体仍然能够进攻缺乏RF1的大肠杆菌，因为TAG终止密码子很少被用于翻译的终止，因此限制TAG的读取并没有限制病毒全尺寸蛋白的合成。而与终止密码子相比，有意义的密码子的数量要多出至少十倍，因此，如果一个细胞不能读取有意义密码子，它也将不会合成全长的病毒蛋白，因此可能对病毒具有抵抗力。另一方面，目前在细胞中编码新单体的策略被限制在某一种单一类型的单体，这些限制排除了完全由非常规单体组成的非常规杂聚物序列的合成。最近，有报道创造了一种将两个丝氨酸密码子（TCG和TGA）和一个终止密码子（TAG）使用同义密码子替换的大肠杆菌菌株，Syn61。英国医学研究委员会分子生物学实验室Jason W. Chin团队使用该菌株，敲除了相关的解码TCG，TGA，TAG的tRNAs和释放因子，使该菌株实现了对噬菌体的完美抵抗力。同时将有意义密码子重新分配给非常规单体实现了不同非常规单体的高效连续聚合以产生非常规杂聚物和大环化合物。该结构以题为“Sense codon reassignment enables viral resistance and encoded polymer synthesis”发表在《Science》上。

文章亮点：1. 该文章在实验室中验证了长期以来的一个猜想：移除细胞tRNAs可能创造对病毒的抵抗力并使有意义密码子发生重组。在该工作中，研究人员通过使用同义密码子压缩和实验室进化策略，删除了大肠杆菌细胞内的两个解码丝氨酸密码子TCG和TGA的tRNAs以及一个对应终止密码子TAG的释放因子。导致细胞无法读取规范的遗传密码，发现这种大肠杆菌菌株对病毒具有较好的抵抗能力；2. 对这些密码子进行重新分配，为三种非常规氨基酸分配了相应的密码子及tRNAs，实现了包含三种非常规氨基酸蛋白质的生物合成。而前期报道仅能实现一种非常规氨基酸的编码。更有意思的是，这种大肠杆菌可以重新编码，用于编码多种非规范杂聚物和大环化合物的翻译。