眾所周知，蛋白質(zhì)是生命的基石，氨基酸是蛋白質(zhì)的基本組成單位。除了吡咯啉和硒半胱氨酸這兩個(gè)罕見個(gè)例外，幾乎所有生物體都只由20種典型的天然氨基酸組成，其中包含有限數(shù)量的官能團(tuán)用于蛋白質(zhì)的生物合成。因此，無法滿足化學(xué)和生命科學(xué)研究中對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的需求。

密碼子擴(kuò)展技術(shù)的誕生打破了生物體基因只能編碼天然氨基酸的限制，它允許科學(xué)家將非天然氨基酸（ncAA）特定位點(diǎn)引入活細(xì)胞的蛋白質(zhì)中，從而提高了研究生物過程的能力，并為開發(fā)現(xiàn)代藥物提供了無限潛力。然而，在大多數(shù)情況下需要外源引入非天然氨基酸。因此，密碼子擴(kuò)展技術(shù)的應(yīng)用受到了限制。

而現(xiàn)在，有“鳥中大熊貓”之稱的稀有鳥類朱鹮（Nipponia nippon）為科學(xué)家們提供了突破上述限制的關(guān)鍵線索。

2022年9月16日，萊斯大學(xué)助理教授肖漢團(tuán)隊(duì)在 Nature 子刊 Nature Communications 上發(fā)表了題為：Unleashing the potential of noncanonical amino acid biosynthesis to create cells with precision tyrosine sulfation 的研究論文。

這項(xiàng)概念驗(yàn)證研究首次創(chuàng)造了完全自主的細(xì)菌和哺乳動(dòng)物細(xì)胞，具有生物合成和遺傳編碼非天然氨基酸——磺基酪氨酸（sTyr）的能力。該團(tuán)隊(duì)還用這些細(xì)胞制造出增強(qiáng)凝血酶抑制劑效力的細(xì)胞，從而使藥物更加有效。

酪氨酸除了是神經(jīng)遞質(zhì)、激素和黑色素的前體外，還是真核細(xì)胞用來合成蛋白質(zhì)的非必需氨基酸。一旦引入蛋白質(zhì)中，酪氨酸可以利用其側(cè)鏈羥基通過硫酸化進(jìn)行翻譯后修飾。酪氨酸硫酸化能夠生成磺基酪氨酸（sTyr）。sTyr 參與蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，具有較低的膜通透性，是對表達(dá)治療性蛋白的活細(xì)胞進(jìn)行編程的關(guān)鍵組成部分。

酪氨酸硫酸化過程在決定各種細(xì)胞過程的細(xì)胞外生物分子相互作用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它涉及許多人類疾病的發(fā)展，包括病毒感染、抗凝血和細(xì)胞粘附等。可以說，該過程重要且普遍。然而，由于缺乏制備具有硫酸化殘基蛋白質(zhì)的通用方法，蛋白質(zhì)硫酸化的研究一直難以推進(jìn)。

為了克服這一挑戰(zhàn)，科學(xué)家們此前已經(jīng)做出了諸多努力，包括使用遺傳密碼擴(kuò)展技術(shù)在特定位點(diǎn)與 sTyr 結(jié)合。然而，大多數(shù)研究需要外源添加 sTyr 。

肖漢教授表示，在自然界中，絕大多數(shù)物種的蛋白質(zhì)是由20種天然氨基酸組成。如果想額外再添加一個(gè)，就需要考慮如何生成。而我們想到的解決方案是——用細(xì)胞制造它。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)在序列相似性網(wǎng)絡(luò)（SSN）中比較基因組數(shù)據(jù)時(shí)，在朱鹮中發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)催化酪氨酸硫酸化過程的酶——朱鹮磺基轉(zhuǎn)移酶1C1（sulfotransferase 1C1 from Nipponia nippon，NnSULT1C1），并證明了這種酶有可能在活細(xì)胞的環(huán)境中發(fā)揮作用。

肖漢教授表示，感謝朱鹮幫助我們實(shí)現(xiàn)了這一飛躍。我們很幸運(yùn)！朱鹮是唯一一個(gè)能產(chǎn)生這種酶的物種。在后續(xù)研究中，還會(huì)調(diào)查為什么這種酶能識別酪氨酸，而人類的磺基轉(zhuǎn)移酶卻不能。

對具有不同化學(xué)、生物和物理特性的非典型氨基酸進(jìn)行遺傳編碼，需要對生物正交翻譯機(jī)制進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，由氨酰tRNA合成酶/tRNA對和“空白”密碼子組成。即一種tRNA只能與一種氨基酸結(jié)合，氨酰tRNA合成酶只能結(jié)合一種氨酰tRNA，否則就無法實(shí)現(xiàn)從DNA到mRNA再到蛋白質(zhì)的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男畔鬟f，也就無法合成所需的蛋白質(zhì)。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)模擬了朱鹮合成磺基酪氨酸（sTyr）并將其整合到蛋白質(zhì)的能力。

研究團(tuán)隊(duì)使用突變的UAG終止密碼子來編碼所需的磺基轉(zhuǎn)移酶，從而產(chǎn)生了一個(gè)完全自主的哺乳動(dòng)物細(xì)胞系，能夠生物合成 sTyr， 并將其高精度地整合到蛋白質(zhì)中。

在將朱鹮磺基轉(zhuǎn)移酶1C1（NnSULT1C1）鑒定為一種功能性酪氨酸磺基轉(zhuǎn)移酶后，該團(tuán)隊(duì)探索了 sTyr 的合成途徑是否可以在大腸桿菌中實(shí)現(xiàn)并且遺傳整合到蛋白質(zhì)中，以希望能增加這些細(xì)胞中 sTyr 的產(chǎn)量，從而優(yōu)化其引入蛋白質(zhì)的可用性。結(jié)果顯示，與此前最高水平的外源添加 sTyr 的細(xì)胞相比，這些工程細(xì)胞可以以更高的產(chǎn)量產(chǎn)生位點(diǎn)特異性硫酸化蛋白。體外測試顯示，其活性與人類的磺基轉(zhuǎn)移酶1C1（SULT1C1）活性相當(dāng)。

肖漢教授表示，過去，科學(xué)家們普遍使用化學(xué)合成的非天然氨基酸飼喂細(xì)胞；而如今，讓細(xì)胞自己完成這項(xiàng)工作，效率顯然要高得多。通過這種修飾蛋白質(zhì)的新策略，可以完全改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。

隨后，他們使用這些細(xì)胞制備具有位點(diǎn)特異性硫酸化作用的高效凝血酶抑制劑。凝血酶抑制劑模型顯示，在藥物中加入非天然成分可以使藥物更有效。

研究團(tuán)隊(duì)表示，希望結(jié)合生物信息學(xué)和計(jì)算篩選來產(chǎn)生一個(gè)生物合成的非天然氨基酸庫，以擴(kuò)大治療性蛋白質(zhì)的制備，從而允許在整個(gè)生物體水平上應(yīng)用密碼子擴(kuò)展技術(shù)。