2020年6月22日，我院林世贤实验室在Nature Communications上在线发表题为“Chimeric design of Pyrrolysyl-tRNA synthetase/tRNA pairs and canonical synthetase/tRNA pairs for genetic code expansion”的研究论文。该研究开发了4种在原核生物和真核生物都具有正交性（广谱正交性）的嵌合体氨酰tRNA合成酶（aaRS）/tRNA对，并利用嵌合体苯丙氨酸系统引入翻译后修饰和发荧光的非天然氨基酸。博士后丁文龙和博士生赵红霞是论文的共同第一作者，林世贤研究员是本文的通讯作者。

生物体通过编码20种天然氨基酸执行各种复杂的生理功能。遗传密码拓展系统能够将非天然氨基酸位点特异性地引入到蛋白质上，用于蛋白质功能的研究和设计全新的功能。遗传密码拓展系统的核心是使用具有正交性的aaRS/tRNA对，用于非天然氨基酸的识别。在这一研究方向上，古菌中的吡咯赖氨酸aaRS/tRNA对因其具有广谱正交性和较好的催化活性是同时适用于原核生物和真核生物的理想系统。该系统的发现显著推动了遗传密码拓展系统的应用，遗憾的是自然界中仅有这一类具有广谱正交性的系统，限制了引进非天然氨基酸的种类和效率。

林世贤实验室发明了一种基于嵌合体设计的蛋白质工程改造新方法。通过嫁接吡咯赖氨酸aaRS/tRNA对的正交元件到天然aaRS/tRNA对上，将后者改造成为具有广谱正交性的系统。论文开发了4种全新的、在原核生物和真核生物都适用的嵌合体aaRS/tRNA对，并证明嵌合体系统具有较好的催化活性。论文通过进一步工程改造嵌合体苯丙氨酸系统中aaRS的底物识别口袋，将系列苯丙氨酸，酪氨酸和色氨酸类似物位点特异性地引入到蛋白质中。这些非天然氨基酸包含了首次被引入到真核生物中的翻译后修饰L-Dopa；可用于蛋白质双光子成像示踪的、具有荧光特性的氰基色氨酸。论文开发的嵌合体系统将显著推动非天然氨基酸引入的种类和效率；同时，嵌合体设计原理具有普遍适用性，有望将更多天然aaRS/tRNA对正交化。

该工作得到了国家重大研究计划“生物大分子动态修饰与化学干预”培育项目，国家重点研发计划“合成生物学”青年科学家项目，浙江大学校长专项等项目的资助。该工作还得到了何向伟教授，郭行教授，李劼教授，黄士堂博士，吴航军博士和Vivian Yu博士等人的帮助。

图1：本研究的策略和结果亮点。（a）嵌合设计的原理图，（b）本研究开发的4种广谱正交对，（c）利用嵌合苯丙氨酸系统引入的非天然氨基酸。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-16898-y