2021年12月2日，生研院林世贤实验室在自然通讯杂志上在线发表题为“Directed-evolution of translation system for efficient unnatural amino acids incorporation and generalizable synthetic auxotroph construction” 的研究论文。该论文建立了获得高效、高信噪比编码非天然氨基酸的嵌合体翻译系统的定向进化策略，并利用该嵌合体系统构建了非天然氨基酸依赖的微生物。嵌合体翻译系统有望在药物蛋白设计构建、微生物智造、安全疫苗开发等领域发挥重要作用。我院博士后赵红霞和丁文龙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，用于蛋白质生化功能的研究、构建人工酶和细胞的智能智造。高效且高信噪比地编码非天然氨基酸是领域内的技术难点，也是细胞智能智造应用的基础。2020年林世贤实验室报道了广谱正交的嵌合体翻译系统，有效地扩展了广谱正交系统的种类，并引入包括翻译后修饰和发荧光的系列非天然氨基酸。然而，该系统与目前所有正交翻译系统类似，其工作效率远低于天然氨基酸编码系统，限制了该技术在蛋白质设计、功能研究及其在细胞智能智造中的应用。
图1.高效且高信噪比的嵌合体翻译系统的工作原理与及其在开发非天然氨基酸依赖的微生物中的应用。
在本论文中，林世贤实验室建立了一套编码非天然氨基酸效率接近于编码天然氨基酸效率的高效、高信噪比的正交嵌合体翻译系统，解决了领域内的技术难点。项目首先对嵌合体苯丙氨酸tRNA的受体臂和嵌合体苯丙氨酸氨酰-tRNA合成酶进行了系统的定向进化，通过筛选1.7 × 107个的tRNA分子文库和13万个合成酶克隆， 最后得到显著性提升嵌合体翻译系统识别非天然氨基酸效率的突变体。定向进化后的嵌合体翻译系统能够在模型蛋白的多个位置和多种功能蛋白质中以接近天然氨基酸的翻译效率编码多种非天然氨基酸。同时，定向进化后的嵌合体翻译系统既有高效的编码效率也展示出了极高的编码信噪比。论文获得了编码信噪比高达65倍的嵌合体苯丙氨酸翻译系统，即在非天然氨基酸存在情况下目标蛋白质的翻译效率提升了65倍。利用高信噪比的编码系统，论文设计构建了系列非天然氨基酸依赖的大肠杆菌，并展示了智造的大肠杆菌在生物阻遏研究中的应用，及其在活体动物中的应用。该研究为细胞的智能智造和非天然氨基酸依赖的减毒疫苗的开发提供了强有力的 技术支撑。
该工作得到了国家重点研发计划“合成生物学”青年科学家项目，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，浙江大学校长专项等项目的资助。该工作还得到了李劼教授，夏永振教授，Vivian Yu博士等人的帮助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27399-x.pdf
