蛋白里混進了奇怪的東西：非天然氨基酸的前世今生（三）

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本系列前一篇文章：

蛋白里混進了奇怪的東西：非天然氨基酸的前世今生（二）

上回我們說到，老P的實驗室第一次擴展了密碼子，把非天然氨基酸插入到了蛋白當中。前邊我們說過，擴展密碼子本身只是一個較為初級的東西，它只是一個途徑，我們在蛋白質中插入非天然氨基酸，最主要的還是要賦予它天然氨基酸所沒有的功能。所以第一篇文章先插了個O-甲基酪氨酸，這基本上沒什麼卵用，後邊的工作一定是插入具有各種功能的非天然氨基酸。另一方面，僅僅擴展一個小小大腸桿菌的密碼子，怎麼好意思跟上帝去比較呢，好歹也得搞搞其他的物種，最好是能把人的密碼子也擴展了，在人裡邊也能插入非天然氨基酸。

不過這時問題就出現了，首先是選擇的這個氨醯tRNA合成酶，它本身是個酪氨酸的氨醯tRNA合成酶，儘管人們搞了個10^9容量的文庫來篩選，可真要是上帝看起來，僅僅也都是些微調而已。所以用這樣的tRNA-氨醯tRNA合成酶正交組合，都只能插入類似於酪氨酸的非天然氨基酸。

上圖：類似酪氨酸的非天然氨基酸

另外一方面，雖說備選tRNA-氨醯tRNA合成酶的來源物種和大腸桿菌親緣關係很遠，但這並不意味著它和其它的物種親緣關係也很遠，你在大腸桿菌里辛辛苦苦篩好了正交組合，用到人類細胞當中發現一點都不正交，那就都白搭了。而且因為要想讓人類細胞表達一個外源的基因，效率比大腸桿菌低了好幾個數量級，所以在人類細胞里直接篩選正交的tRNA-氨醯tRNA合成酶基本是不可能的。

其實第一個問題還是比較好解決的，比如大不了每種天然氨基酸都選一對tRNA-氨醯tRNA合成酶來篩庫，所以後來什麼亮氨酸、谷氨酸、谷氨醯胺、賴氨酸等等的類似物都能往裡插了。第二個問題就不太好搞，起初人們用了一個曲線救國的方法，就是先在酵母裡邊篩，酵母再不濟他也是個真核生物，而且轉化表達外源基因的效率也要比人類細胞高，老P他們就這樣搞了個基於色氨酸tRNA-氨醯tRNA合成酶的正交組搞到人類細胞中。

直到後來人們從巴氏甲烷八疊球菌里發現了天然編碼的吡咯賴氨酸，這個問題就變得簡單一些了。巴氏甲烷八疊球菌是種生活在沼氣池底沉積物里的古菌，人們在解析它某個蛋白結構的時候，發現了上邊居然有一個不尋常的氨基酸，這就是第22種天然編碼的氨基酸——吡咯賴氨酸。很快地，吡咯賴氨酸的tRNA-氨醯tRNA合成酶組合被找到了。隨後人們就試了一下這東西在別的生物里能不能用，估計是因為在進化的道路上獨行太過遙遠了，吡咯賴氨酸的tRNA-氨醯tRNA合成酶不需改造就在許多其它生物里有非常好的正交性，包括人類細胞。這就好比人肚子餓的咕咕叫的時候，天上pia地掉下個大包子一樣，很好地解決了人類細胞內tRNA-氨醯tRNA合成酶正交性的問題。

雖說這個新的tRNA-氨醯tRNA合成酶組合也只能插入吡咯賴氨酸的類似物，不過好的一點是，在吡咯賴氨酸氨醯tRNA合成酶當中，它與氨基酸結合的那個活性口袋貌似很空曠，人們建了一個容量不很大的文庫，就使得它能插入許多新的非天然氨基酸，所以雖說吡咯賴氨酸體系建立的比較晚，可是目前報道的新引入的非天然氨基酸很大一部分都是吡咯賴氨酸類似物了。

就好比這一次周德敏教授那篇文章，他們用的就是吡咯賴氨酸體系，插入了Nε-2-疊氮乙氧羰基-L-賴氨酸。有的朋友一定注意到裡邊的疊氮兩字了，儘管這篇文章僅僅是密碼子擴展，並不需要所插入的非天然氨基酸有什麼具體的功能，但是一個含有疊氮基團的氨基酸，已經可以做很多後續的工作了。那說了這麼多，非天然氨基酸都能有哪些生物學上的實際應用，我們留到下一次來討論。

（本文同時刊載於微信公眾號「bingo伯伯的花房子」）

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