蛋白里混進了奇怪的東西：非天然氨基酸的前世今生（二）

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蛋白里混進了奇怪的東西：非天然氨基酸的前世今生（一）

前面我們藉由周德敏教授這篇關於病毒疫苗的文章，從一個側面展現了非天然氨基酸技術的功用。當然密碼子擴展（遺傳語言的方言）只是這一領域較為基礎的應用，不過萬丈高樓平地起，我們今天就從擴展密碼子開始講。

非天然氨基酸這個技術最早先是由彼得·舒爾茨（Peter Schultz）實驗室做出來的，文章的第一作者是華裔王磊。Peter Schultz江湖人稱「P」，拿各種獎可能就差諾獎了，早早就是美國科學院院士，然後王磊也是神童一樣的存在。因為沒深入過這個圈子，所以八卦什麼的也不是很清楚，我們主要說正事兒。

要想擴展密碼子，先要知道核苷酸序列是怎樣被翻譯成氨基酸序列的。高中課本就告訴過大家，DNA中的遺傳信息會轉錄為信使RNA（mRNA）傳遞到細胞核外，然後轉運RNA（tRNA）會運載著相應的氨基酸，通過鹼基的互補配對，用自己的反密碼子找到mRNA上相應的密碼子，最後在核糖體中完成蛋白質的生成。這邊已經在mRNA中引入了UAG的終止密碼子，核糖體是大家共享的資源，那麼擴展密碼子所需要準備的東西就都是和tRNA相關的了。

上圖：蛋白質翻譯過程圖示（引自wiki）

再來看一下上邊的圖，只需要關注兩個地方，一個是tRNA的反密碼子，就是用於識別mRNA上邊密碼子的部分，另一個是tRNA上掛著一個氨基酸，它們合在一起的這個東西叫做氨醯tRNA。要想把非天然氨基酸插到蛋白里，就得搞一個反密碼子為CUA的（可以識別UAG密碼子）帶著一個非天然氨基酸的氨醯tRNA。

在生物體當中，正常的氨醯tRNA是怎麼搞出來的呢？和絕大部分生命過程一樣，它是由酶來催化完成的，這個酶就叫「氨醯tRNA合成酶」。它有兩重識別功能，既要識別特定的氨基酸，又要識別特定的tRNA，然後將兩者連在一起。

上圖：PPAP版氨醯tRNA合成過程

要精確地得到所需的氨醯tRNA其實並不是一件容易的事情，首先氨醯tRNA合成酶要保證只能看上所需的tRNA，不能把其它的tRNA也拿來反應，否則非天然氨基酸就會插入到UAG密碼子以外的地方；其次所需的tRNA不能被其它的氨醯tRNA合成酶看上，否則UAG密碼子的位置就會插入一個正常的氨基酸。這種彼此的「我的眼中只有你」、絕不給對方戴綠帽子的特質就是所謂的「正交性」。而後還需要再考慮一個問題，就是氨醯tRNA合成酶不能去識別天然的氨基酸，否則依然會存在正常氨基酸插入到UAG位點的情況出現。

人畢竟不是造物者，現有的氨基酸-tRNA-氨醯tRNA合成酶正交組合都是歷經幾十億年進化所得，想要從頭設計一對正交的tRNA和氨醯tRNA合成酶出來幾乎是不可能的。然而人可以站在上帝視角來看問題：如果兩個物種在進化的道路上早早就分道揚鑣，他們的tRNA和氨醯tRNA合成酶一定相差較遠，那麼在此基礎上進行優化，得到正交性好的tRNA-氨醯tRNA合成酶組合應該會簡單不少。

所以人們最早先嘗試擴展密碼子時，宿主是常見的大腸桿菌，而備選的tRNA-氨醯tRNA合成酶組合則來自詹氏甲烷球菌——這是種生活在2600m深、260個標準大氣壓、94℃的海底火山口附近的古菌。新來的氨醯tRNA合成酶不怎麼去勾搭大腸桿菌原有的tRNA，但是會招惹酪氨酸過來結合（嗯前邊沒有說，它本身就是個酪氨酸tRNA的氨醯tRNA合成酶，這就難怪了），而新來的tRNA也偶爾被大腸桿菌自己的氨醯tRNA合成酶看上，所以備選的tRNA-氨醯tRNA合成酶組合併不是很完美。不過前邊說了，現今體內這些完美的正交組合都是經過幾十億年進化來的，而進化歸根結底就是自發突變和環境選擇，那麼科學家就說——又要開上帝模式了——我們也來進化吧，不過要進化的快一點：於是就構建了10^6容量的tRNA突變文庫和10^9容量的氨醯tRNA突變文庫，然後從裡邊篩選出完美的tRNA-氨醯tRNA合成酶正交組合。

為了不把科普文章搞得太複雜，篩選過程的圖示列在了上邊，但是伯伯就不展開來說了。其實通常來講，篩庫這個問題，篩選方法是一方面，可實驗者個人的努力也很關鍵，經常把實驗者打敗的正是他自己。老P這樣的科學家是很少休假的，而且據說他每天早早就到實驗室，等到其他人來的時候，他已經工作了幾個小時了。所以密碼子擴展插入非天然氨基酸這個事，當年很多人都有想法，可最終還是老P他們先做了出來。

那好今天就先講這些，我們後面來講牛逼哄哄的吡咯賴氨酸體系。

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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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