非天然氨基酸（ncAAs）是一類不受遺傳密碼子約束的特殊氨基酸，它們具有空間構(gòu)型和化學(xué)性質(zhì)，通過將它們精準地結(jié)合到蛋白質(zhì)中，我們可以為蛋白質(zhì)賦予新的化學(xué)、物理和生物活性。近年來，隨著生物技術(shù)和醫(yī)藥領(lǐng)域的快速發(fā)展，非天然氨基酸在生物學(xué)研究、藥物開發(fā)以及醫(yī)學(xué)診斷等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。無細胞蛋白質(zhì)表達(CFPS)作為一種創(chuàng)新的蛋白質(zhì)表達平臺，極大的促進了人工蛋白質(zhì)的表達，通過整合ncAAs，開發(fā)了許多靈活的方法，可顯著提高ncAAs的整合效率。
今天就和大家分享Front Bioeng Biotechnol期刊上名為“Emerging Methods for Efficient and Extensive Incorporation of Non-canonical Amino Acids Using Cell-Free Systems"的文獻。
一、研究背景
無細胞蛋白質(zhì)合成（CFPS）已成為在特殊應(yīng)用中生產(chǎn)重組蛋白質(zhì)的有效方法。通過消除細胞膜屏障和細胞活力約束，CFPS比體內(nèi)蛋白質(zhì)表達有明顯的優(yōu)勢：1.CFPS的開放性，使得研究人員可以精確地操縱系統(tǒng)中分子；2.無需考慮細胞活性，有毒試劑和難以表達的蛋白質(zhì)可以在CFPS中使用，甚至可以應(yīng)用一些沒有生物相容性的反應(yīng)條件；3.無需使用活細胞，生物安全可以得到保證。因為CFPS系統(tǒng)的這些特點讓其在ncAA整合中也具有顯著優(yōu)勢，包括能處理有毒ncAAs、簡化后續(xù)反應(yīng)流程以及避免細胞內(nèi)整合的限制等。
然而ncAAs在CFPS中的整合過程會受到內(nèi)生競爭影響，為了精確合并ncAAs，需重新分配特殊密碼子。雖然研究人員已對終止密碼子和有義密碼子進行了重新分配，但ncAAs復(fù)合物與內(nèi)源性生物分子間的密碼子競爭仍會導(dǎo)致蛋白質(zhì)錯誤或截斷。
圖1:CFPS系統(tǒng)制備和ncAAs合并中的內(nèi)源競爭的示意圖
二、消除競爭的策略
密碼子的競爭，會嚴重影響ncAAs整合的效率。目前，消除競爭的方法包括基因組工程、蛋白質(zhì)消除、tRNA操作和氨基酸替代。
圖2:消除ncAAs競爭的不同策略
1.基因組工程
在蛋白質(zhì)合成過程中，琥珀密碼子（UAG）通常被肽鏈釋放因子1（RF1）識別作為翻譯終止的信號。然而，通過基因組工程，研究人員可以重新分配UAG的功能，使其能夠編碼ncAAs。這種策略的一個關(guān)鍵步驟是刪除編碼RF1的prfA基因，通過刪除該基因，RF1的表達被抑制，從而減少了RF1與UAG的結(jié)合，使UAG能夠被ncAAs的轉(zhuǎn)運RNA（tRNA）識別并插入對應(yīng)的ncAAs。這種方法在多種生物系統(tǒng)中均被證明是有效的，為ncAA的精確插入提供了可能。
2.蛋白質(zhì)消除策略
由于開放式反應(yīng)環(huán)境可以直接控制，CFPS系統(tǒng)相比于體內(nèi)翻譯系統(tǒng)更靈活。各種消除競爭策略只有在CFPS系統(tǒng)中才有可能。其中從CFPS系統(tǒng)中消除蛋白質(zhì)的競爭是一個重要的消除策略，通過操縱蛋白質(zhì)水平來保持對細胞生長至關(guān)重要的蛋白質(zhì)活性，同時從CFPS系統(tǒng)中去除可能產(chǎn)生競爭的蛋白質(zhì)。
CFPS系統(tǒng)中的蛋白質(zhì)消除策略對于提高蛋白質(zhì)合成效率和控制產(chǎn)物純度至關(guān)重要。通過選擇性去除或失活特定蛋白質(zhì)，如RF1，可以優(yōu)化CFPS系統(tǒng)的性能，并促進nAAs的插入，從而擴展蛋白質(zhì)的功能和應(yīng)用范圍。這些策略的實施依賴于基因工程和蛋白質(zhì)工程的進展，以及針對特定蛋白質(zhì)的定制化消除方法的開發(fā)。
3.tRNA的操作
當(dāng)ncAAs以有義密碼子插入蛋白質(zhì)時，內(nèi)源性氨基酰-tRNA將在翻譯過程中與核糖體中的ncAA氨基酰-tRNA競爭，從而產(chǎn)生部分天然蛋白質(zhì)。直接操作細胞中的tRNA是不現(xiàn)實的，但在沒有膜屏障的CFPS中操縱是很方便，通過操縱tRNA釋放大量有義密碼子用以插入ncAAs。考慮到tRNA和密碼子之間的一對一對應(yīng)，人工密碼子表，甚至最小密碼子組合都可以通過CFPS中的tRNA操縱來實現(xiàn)。
4.替換氨基酸
在生物合成過程中ncAAs的插入提供了一種在蛋白質(zhì)中引入新特性的方法。然而，由于天然氨酰tRNA合成酶（aaRS）對氨基酸的特異性較為寬松，少數(shù)結(jié)構(gòu)上與標(biāo)準氨基酸相似的ncAAs能夠被對應(yīng)的aaRS識別并裝載到原生的tRNAs上。這些結(jié)構(gòu)相似的ncAAs可以替代相應(yīng)的標(biāo)準氨基酸在蛋白質(zhì)中發(fā)揮作用。一種稱為“氨基酸替換CFPS"的方法，作為ncAA整合策略的一種成本效益高且簡單的替代方案，不需要改造aaRS或tRNAs。
三、CFPS的新型ncAAs和體外氨基?；椒?/p>
在新型ncAAs方面，研究人員通過化學(xué)合成和基因工程手段，設(shè)計和合成了大量具有特定功能的ncAAs。這些ncAAs通常帶有特殊的化學(xué)基團，如熒光基團、生物正交反應(yīng)基團等，這使得它們能夠在不干擾內(nèi)源性生物過程的同時，賦予蛋白質(zhì)新的功能或特性。
圖3:新型ncAA僅用于CFPS
在體外氨?；椒ǚ矫妫赏ㄟ^優(yōu)化氨?；磻?yīng)條件、開發(fā)新型氨?；富虬滨；噭┑?，使得ncAAs能夠高效、準確的整合到蛋白質(zhì)中。這些方法的開發(fā)不僅提高了CFPS中ncAAs的整合效率，還擴大了可用于CFPS的ncAAs的種類和范圍。
圖4:體外氨基酰化方法與CFPS相結(jié)合
四、總結(jié)
CFPS作為設(shè)計遺傳密碼的強大平臺，特別是其高效整合ncAAs的能力，可以通過基因組工程、肽釋放因子消除、tRNA操作和氨基酸替代等多種策略來優(yōu)化人工蛋白質(zhì)的合成效率和產(chǎn)量。這些策略使得多個密碼子可以被重新分配給不同的ncAAs，無需內(nèi)源性競爭，為人工蛋白質(zhì)合成提供了更大的靈活性。CFPS在多個新興領(lǐng)域如抗體藥物、蛋白質(zhì)標(biāo)記和肽基材料中的應(yīng)用潛力巨大，特別是在酶活性改善方面的潛力，例如通過ncAAs的整合來模擬或增強酶的磷酸化、甲基化等關(guān)鍵修飾。研究人員可以通過選擇合適方法，將CFPS高效整合ncAAS中，并激發(fā)ncAAs技術(shù)和應(yīng)用的未來突破。
綜上所述，CFPS在ncAAs方面具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，CFPS結(jié)合ncAAs將在藥物研發(fā)、材料科學(xué)、生物學(xué)研究和合成生物學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。
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