氨基酸是蛋白质的单个构建模块，对生物系统的正常运转至关重要。所有生物系统中的蛋白质都是由20种标准氨基酸组成的，自然界中还发现了超过500种不同类型的其他氨基酸，以及大量的人造氨基酸。其中一些替代氨基酸有助于创造新类型的药物和治疗方法。
特拉华大学化学与生物分子工程系助理教授Aditya Kunjapur实验室的研究人员设计了一种细菌，可以合成一种含有稀有功能基团的氨基酸，这种功能基团已被证明对我们的免疫系统的调节具有影响。研究人员还讲解了单一细菌菌株在目标蛋白质内的特定位置合成这种氨基酸。该成果于2023年5月15日发表在《Nature Chemical Biology》上，为将来开发独特的疫苗和免疫疗法奠定了基础。
Kunjapur实验室使用合成生物学和基因工程技术来改造可以合成不同类型化合物和分子的微生物，尤其是那些在自然界中功能基团或性质不清楚的物质。
在这项研究中，研究人员关注了一种名为对硝基-L-苯丙氨酸（pN-Phe）的非标准氨基酸，它既不是20种标准氨基酸中的一种，也没有在自然界中被观察到。pN-Phe已经被其他研究小组用来帮助免疫系统对其通常不会对抗的蛋白质产生反应。
pN-Phe的从头合成和特异性插入过程
Kunjapur表示：“硝基化学功能基团具有很高的价值，试图重构新陈代谢的研究人员对此了解的不多。pN-Phe在文献中已有很好的研究基础，可以将其添加到小鼠的蛋白质上，再输回小鼠体内，免疫系统就不再容忍该蛋白质的原始版本。这种能力对于治疗或预防因免疫系统难以锁定的恶性蛋白质引发的疾病具有潜在的应用价值。”
这篇论文首次展示了大肠杆菌中pN-Phe的合成，为数不多的几篇以自主创建和利用扩展遗传密码的合成生物为特色的研究论文之一。遗传密码扩展使用的方法使研究人员能够增加DNA编码的可用氨基酸的“字母表”。通过将代谢工程技术与遗传密码扩展使用相结合，研究人员创建了一个自主生产硝化蛋白的系统。
Kunjapur说：“由于硝基功能基团的化学性质，我们为这个项目选择的氨基酸是非常规的，我们领域内的许多科学家可能不会预料到它可以通过生物合成来产生。”
这项研究将进一步优化他们的方法，合成更多的硝基蛋白质，并将这项工作扩展到其他微生物中。长期目标是进一步完善这个平台，使其应用于疫苗或免疫疗法相关领域，这些努力得到了Kunjapur's 2021 AIChE Langer Prize 和2022年National Institutes of Health Director's New Innovator Award （美国立卫生院院长创新奖）。为了进一步支持这一长期目标的实现，Kunjapur和论文的第一作者、博士生Neil Butler共同创立了Nitro Biosciences。
Butler说：“我认为这个研究非常有趣，因为你可以调整细菌的中枢代谢（central metabolism），使其产生不同的化合物，并可通过一些修饰扩展其化学特性。硝基功能团在生物学中非常罕见，不在标准的20种氨基酸列表中，但我们证明了细菌代谢具备足够的可塑性，可以重构以创建和整合这种功能基团。”
大肠杆菌中pN-Phe的合成
Kunjapur补充说：“细菌有潜力成为药物传递载体。我们已经创建了一个工具，可以调节细菌在体内产生目标抗原的能力，同时利用硝基置换突显这些抗原。”
将非标准氨基酸对硝基-L-苯丙氨酸（pN-Phe）加入蛋白质已被广泛应用，包括终止免疫耐受。然而，需要向细胞提供化学合成的pN-Phe，这就限制了硝基化蛋白的应用。本文中，我们通过结合代谢工程和遗传密码扩展，构建了一种合成硝基化蛋白质的活细菌生产者。通过创建一条非典型的非血红素双铁N-单加氧酶特征的代谢通路，我们在大肠杆菌中实现了pN-Phe的生物合成，优化后的pN-Phe滴度达到820±130 µM。我们鉴定了一个对pN-Phe而非前体代谢物具有选择性的正交翻译系统并构建了单菌株，可以将生物合成的pN-Phe掺入报告蛋白质的特定位点。综上，我们的研究为硝基功能团修饰的蛋白质的分布式自主生产提供了一个基础技术平台。
阅读原文内容：
https://www.sciencedaily.com/releases/2023/05/230523185024.htm
查看原文信息：
https://www.nature.com/articles/s41589-023-01338-x
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