Nature最新發(fā)布！遺傳密碼可以“編程“了!

更新時(shí)間：2026-10-13 點(diǎn)擊次數(shù)：76

你有沒有想過一個(gè)問題：明明有64種密碼子，但卻只編碼20種氨基酸（密碼子的冗余性）。如果我們把冗余密碼子騰出，重新分配給非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸，那么是不是就可以構(gòu)建"非天然遺傳密碼"，進(jìn)而編碼新化學(xué)反應(yīng)、新型治療分子以及生態(tài)系統(tǒng)工程。

然而，傳統(tǒng)基因組編輯路徑需要進(jìn)行大規(guī)模、多輪次的改造，周期長(zhǎng)、成本高。

今天小編和大家分享一篇發(fā)表在 Nature 上的突破性成果——Automated prototyping of genetic codes，該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了 AGENTEX（Automated genetic tRNA Expansion）平臺(tái)，將遺傳密碼的原型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人自動(dòng)化、多重并行、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的無細(xì)胞流程。

一、研究背景及問題

合成生物學(xué)對(duì)遺傳密碼的改造已有大量積累：超過 400 種非天然氨基酸已被引入活細(xì)胞蛋白，重編碼菌株也展現(xiàn)出增強(qiáng)病毒抗性、降低水平基因轉(zhuǎn)移等特性。但目前仍面臨根本性瓶頸：

在完整基因組中重新分配多個(gè)有義密碼子，需大量基因組編輯操作，歷時(shí)長(zhǎng)，難以迭代，而且在活細(xì)胞內(nèi)重分配多個(gè)有義密碼子，還會(huì)與宿主內(nèi)源 tRNA 發(fā)生難以預(yù)測(cè)的串?dāng)_；
在一條多肽中同時(shí)摻入多個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)單體并保證高純度，現(xiàn)有技術(shù)手段不足；
需要翻譯系統(tǒng)更重新設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)從序列空間到序列定義化學(xué)的控制。

基于這些問題，該研究團(tuán)隊(duì)主張與其在完整基因組尺度上"試錯(cuò)"，不如先在體外快速、系統(tǒng)地驗(yàn)證遺傳密碼的設(shè)計(jì)空間。即在無細(xì)胞體系中實(shí)現(xiàn)快速、高通量的遺傳密碼原型設(shè)計(jì)，繞開基因組編輯。

圖1：AGENTEX支持遺傳密碼的多重檢測(cè)及基于測(cè)序定義的生物聚合物合成

二、方法創(chuàng)新：tSCAN 與 tSCAN-M，高通量"讀"出氨酰化

翻譯機(jī)器對(duì) tRNA 3' 末端保守序列 CCA 高度依賴：核糖體大亞基通過堿基配對(duì)識(shí)別 CCA 端，確保只有正確氨酰化的 tRNA 才能進(jìn)入翻譯。研究人員將大腸桿菌 23S rRNA 的 G2251 和 G2553 突變?yōu)?G2251C 和 G2553C，使其只接受 3' 末端為 CGA 的合成 tRNA（otRNA）；天然 aaRS 則繼續(xù)在裂解液中為這些 otRNA 氨酰化。

如此，正統(tǒng)翻譯系統(tǒng)照常運(yùn)轉(zhuǎn)，合成系統(tǒng)嚴(yán)格聽命于設(shè)計(jì)好的密碼子。實(shí)現(xiàn)這一路徑就需要一種能夠并行量化復(fù)雜 tRNA 池中每個(gè)物種氨酰化水平的方法。

tSCAN：基于自動(dòng)化 NGS 的 tRNA 充電測(cè)序，氨酰化的 tRNA 受高碘酸鹽氧化保護(hù)、保留末端腺苷，未氨酰化的 tRNA 則失去末端腺苷，測(cè)序統(tǒng)計(jì)完整/截短讀段比例即可定量池內(nèi)每個(gè) tRNA 的氨酰化水平。
tSCAN-M：以同位素標(biāo)記 ATP 結(jié)合 LC-MS，直接讀出 tRNA 上裝載的氨基酸身份。

此外，整個(gè)流程部署在開源的 Opentrons OT-2 機(jī)器人平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了芯片合成寡核苷酸池→dsDNA→體外轉(zhuǎn)錄 tRNA→無細(xì)胞反應(yīng)→測(cè)序的全自動(dòng)化。一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期即可并行測(cè)試數(shù)十套 tRNA 池與密碼子組合——遺傳密碼設(shè)計(jì)從"逐個(gè)猜測(cè)"變?yōu)?成批掃描"。

圖 2：使用 tSCAN 技術(shù)進(jìn)行氨基酸亞氨基化反應(yīng)的自動(dòng)識(shí)別

三、研究結(jié)果

借助這套自動(dòng)化無細(xì)胞工作流，研究團(tuán)隊(duì)得到以下結(jié)果：

1.裂解液環(huán)境是 otRNA 氨酰化的關(guān)鍵：在完整酶系的裂解液中，幾乎所有大腸桿菌 aaRS 都能為大多數(shù)非 CCA 末端 tRNA 氨酰化，其中 CGA 末端表現(xiàn)最佳，CCA 序列對(duì)突變的容忍度遠(yuǎn)超以往認(rèn)知；

圖3：通過 tSCAN 在 PURExpress 系統(tǒng)中（a,b），或E.coli系統(tǒng)中（c,d）收集到的氨基化數(shù)據(jù)

2.同樣的 tRNA 轉(zhuǎn)入缺乏修飾酶的 PURE 體系后，CGA、CUA、CAA 末端 otRNA 的充電率驟降，直觀證明天然 tRNA 修飾；

3.核糖體能夠防止翻譯過程中的干擾現(xiàn)象：Ser/Ala 反密碼子互換的 tRNA 池加入野生型核糖體體系后，質(zhì)譜檢測(cè)不到誤摻入。

圖4：核糖體以及 tRNA 的 3'端能夠防止不同遺傳密碼之間的相互干擾

在此基礎(chǔ)上，AGENTEX 成功并行測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)密碼子、MP1、MP2 三個(gè)體系，實(shí)現(xiàn)最多 3 個(gè)密碼子重分配，成功摻入非天然氨基酸，翻譯產(chǎn)物經(jīng) Orbitrap、ZenoTOF 質(zhì)譜嚴(yán)格驗(yàn)證。此外，這套系統(tǒng)自帶天然生物遏制：otRNA + 改裝核糖體，一旦進(jìn)入活體細(xì)胞，誰都不認(rèn)誰——一進(jìn)大自然就“死機(jī)"。

圖5：利用 otRNA 和突變型核糖體進(jìn)行序列解碼，從而將多肽翻譯成具有擴(kuò)展遺傳密碼的序列

四、結(jié)果與展望

傳統(tǒng)模型認(rèn)為 tRNA 的 CCA 端同時(shí)被 aaRS 與核糖體識(shí)別，遺傳密碼由基因組線性指定。本文提出存在“aaRS–tRNA 相互作用"與“tRNA–核糖體相互作用"的平衡約束；若 tRNA 3′ 端與核糖體大亞基協(xié)同突變（如 CGA 端與 G2251C/G2553C 配對(duì)），即可衍生出替代遺傳密碼。這一框架為理解遺傳密碼的過去形態(tài)與未來擴(kuò)展提供了理論工具。

在產(chǎn)業(yè)前景上，該方法為合成含多個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)單體的序列定義生物聚合物——包括新型材料、修飾化藥物蛋白與人工酶——提供了通用平臺(tái)。以 AGENTEX 為代表的"無細(xì)胞先行"工作流，將推動(dòng)遺傳密碼與翻譯機(jī)器的探索進(jìn)入快速迭代、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新階段，也讓無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)從"表達(dá)工具"升級(jí)為"設(shè)計(jì)平臺(tái)"。

五、無細(xì)胞蛋白表達(dá)能解決什么問題？

對(duì)很多課題組和企業(yè)來說，蛋白表達(dá)至今仍是“玄學(xué)"：換載體、換宿主、調(diào)溫度、試誘導(dǎo)條件，一搞就是幾個(gè)月，最后可能還是一鍋包涵體。

無細(xì)胞蛋白表達(dá)（CFPS）提供的是一套不同的打法：

極速交付：從 DNA 模板到拿到蛋白，最快 48 小時(shí)；這篇 Nature 里整條流水線都是機(jī)器人自動(dòng)跑的，人只負(fù)責(zé)“設(shè)計(jì)"；
免克隆：線性 PCR 產(chǎn)物直接翻譯，省掉載體構(gòu)建與轉(zhuǎn)化；
高通量并行：96 孔板一次篩幾十上百個(gè)變體/條件；論文里 tSCAN 一次測(cè)幾百條 tRNA，就是同類思路；
“難搞"蛋白友好：膜蛋白、毒性蛋白、易降解蛋白都能表達(dá)；
可編程修飾：非天然氨基酸摻入、正交翻譯系統(tǒng)、密碼子重編碼，為下一代生物制造開綠燈；

適合誰用？

被膜蛋白、毒性蛋白卡住進(jìn)度的課題組；
需要快速驗(yàn)證幾十個(gè)突變體 / 酶變體的企業(yè)；
想做非天然氨基酸、遺傳密碼擴(kuò)展等前沿方向的團(tuán)隊(duì)；

寫在最后

這篇 Nature 的意義，不只是“又一項(xiàng)合成生物學(xué)突破"。它預(yù)示著一個(gè)趨勢(shì)：蛋白質(zhì)合成正在從“生物實(shí)驗(yàn)室"走向“可編程的制造平臺(tái)"，而無細(xì)胞表達(dá)就是那個(gè)平臺(tái)的基建。

如果您也有“表達(dá)不出來的蛋白"，或者想試試更快的表達(dá)方式，歡迎聯(lián)系蘇州珀羅汀生物——無細(xì)胞蛋白表達(dá)整體解決方案。

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