幾乎所有生物，都是從 20 種不同氨基酸的組合中，製造自身需要的蛋白質。為了添加新的氨基酸，學界一直重新設計基因和其他蛋白質構建機制，以產生具有獨特化學特性的蛋白質，用於製造新的藥物，但程序通常每次只能添加一種新的氨基酸；最新刊於《科學》的研究指，廣泛重寫細菌基因組，能夠為一種蛋白質添加至少 3 種的氨基酸，相信可以為合成抗生素和抗腫瘤藥物開闢新的研發路徑。

同類型的研究已經進行了幾十年。在早期，製造「設計蛋白質」的方法，是徵用蛋白質製造細胞成份，並插入非天然氨基酸。當細胞製造蛋白質時， DNA 編碼 A 、 C 、 G 和 T 首先會被複製到 RNA 。而 RNA 會以三個字母組成的編碼組 (codon) 被解碼 ，其中大部分編碼組要插入蛋白質 20 種天然氨基酸中的一個。不過，該 20 種氨基酸由 64 個編碼組編成，所以當中有重複：例如， 6 個編碼組編碼氨基酸絲氨酸 (serine) 。三個編碼組則不能編碼氨基酸，相反是指示細胞停止製造蛋白質。

最初，學者讓細胞機器在看到特定終止編碼組時，插入 1 個非天然氨基酸。領導是次研究的英國醫學研究委員會分子生物學實驗室的合成生物學家 Jason Chin 指，雖然這種方法現時變得越來越精細，但仍只能在每個蛋白質插入 1 個氨基酸。

基因編輯大腸桿菌插入氨基酸

為了插入更多氨基酸，團隊試圖改造通常編碼絲氨酸 6 個編碼組其中 2 個。在 2019 年，團隊使用 CRISPR-Cas9 基因編輯工具，創建了一種名為 Syn61 的大腸桿菌菌株。團隊替換了該菌有 400 萬鹼基長基因組中 18,000 多個絲氨酸編碼組，令部份編碼組不再編碼蛋白質中的任何內容，因此可以被改造。

團隊在是次研究中，則完成了這種改造過程。團隊在 Syn61 刪除了稱為轉移核糖核酸 (tRNA) 分子的基因，令其無法識別兩個編碼組 UGC 和 UCA ，並將絲氨酸插入到正在生長的蛋白質中。團隊還去除了響應 UAG 終止編碼組而關閉蛋白質合成的化合物。

團隊隨後將具有新 tRNA 的基因添加回 Syn61 的基因組，這些新 tRNA 會在遇到 UGC、UCA 或 UAG 時都插入非天然氨基酸，換言之團隊能夠一次過將 3 種非天然氨基酸添加到單個蛋白質中，而且還可以為每個氨基酸插入多個副本。

無参與研究的波士頓學院合成生物學家 Abhishek Chatterjee 指，做法能夠將新的氨基酸串在一起，形成一系列與現有抗生素和抗腫瘤藥物非常相似的環狀結構。由於有數十種不同的非天然氨基酸可供選擇，因此可以以這種方式插入幾乎無數多的組合，為創建龐大潛在新藥庫打開大門。

另外，團隊過去也發現，在大腸桿菌的大規模基因組變化，以及重新設計終止編碼組，可破壞感染該菌的病毒複制能力，因為病毒依賴大腸桿菌的天然編碼組來製造功能性蛋白質。

來源：
Science, New approach to rewriting bacteria’s genetic code could lead to novel medicines, 3 June 2021

報告：
Robertson, W.E., Funke, L.F.H., de la Torre, D. & et al. (2021). Sense codon reassignment enables viral resistance and encoded polymer synthesis. Science 04 Jun 2021: Vol. 372, Issue 6546, pp. 1057-1062. DOI: 10.1126/science.abg3029

文／Alan Chiu