Направленная эволюция системы трансляции для эффективного включения неестественных аминокислот

Генетический код всех трёх царств живых организмов универсален и кодирует одни и те же 20 природных аминокислот. Расширение генетического кода путём включения универсальных аминокислот (UAA) с разнообразными функциональными группами позволяет синтезировать белки с улучшенными или новыми функциями и конструировать синтетические ауксотрофы, зависимые от UAA.

Однако создание эффективной in vivo системы для сайт-специфичного включения UAA, сравнимой по продуктивности с системой для природных аминокислот, оставалось сложной задачей. Существующие ортогональные системы трансляции, включая химерную, разработанную в 2020 году командой Линь Шисяня, имеют значительно более низкую эффективность.

2 декабря в журнале Nature Communications команда профессора Линь Шисяня из Института наук о жизни Чжэцзянского университета опубликовала статью "Направленная эволюция системы трансляции для эффективного включения неестественных аминокислот и универсального конструирования синтетических ауксотрофов". Исследователи сообщили о направленной эволюции систем трансляции, позволившей включать неестественные аминокислоты с эффективностью, близкой к природным, и конструировать синтетические ауксотрофы универсальным способом.

Ключевые достижения:

• Инженерия химерной системы фенилаланина (Phe): Учёные усовершенствовали химерную систему Phe, добившись эффективности синтеза полноразмерных белков, близкой к нативной, и низкой фоновой активности в отсутствие UAA.
• Направленная эволюция ключевых компонентов: Путём скрининга библиотеки из ~1.7 × 10⁷ молекул тРНК и 13 000 клонов синтетазы были получены мутанты химерной тРНК Phe (chPheT) и химерной синтетазы Phe (chPheRS), значительно повышающие эффективность распознавания UAA.
• Высокая эффективность и точность: Усовершенствованная система способна кодировать множество UAA во многих позициях модельного и функциональных белков почти так же эффективно, как природные аминокислоты, сохраняя высокую точность. Эффективность amber-супрессии для инженерной пары chPheRS/chPheT выросла в 65 раз.
• Создание универсальных синтетических ауксотрофов: Инженерная пара chPheRS/chPheT для включения AzF была использована для создания в коммерческом штамме E. coli ауксотрофов, строго зависимых от добавления UAA в среду для роста.

Значение работы: Это исследование предоставляет мощную и универсальную технологию для синтеза UAA-зависимых синтетических ауксотрофов, что важно для сдерживания генетически модифицированных организмов и разработки живых аттенуированных вакцин.