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本文报道了一项针对扩展遗传密码瓶颈问题的创新研究。当前，将大量非天然氨基酸（ncAAs）导入细胞以合成新型蛋白质的效率低下、成本高昂。研究人员成功“劫持”了一种细菌转运蛋白，构建了高效导入系统，从而为低成本、大规模扩展遗传密码工具箱开辟了新途径。该研究发表于《BIOspektrum》。
想要在活细胞里随心所欲地制造自然界不存在的“定制”蛋白质吗？合成生物学家们正在通过扩展遗传密码来实现这个梦想。传统的做法是，利用正交的tRNA（转运核糖核酸）和氨基酸-tRNA合成酶（aaRS）配对，将数百种非天然氨基酸（ncAAs）引入蛋白质的特定位置，从而赋予蛋白质全新的化学性质和功能。然而，这个看似强大的工具箱却面临着一个现实的“卡脖子”难题：这些非天然氨基酸大多无法由细胞自身合成，必须从外部提供。而细胞膜这道天然屏障，对于这些“外来”分子并不友好，导致它们的摄取效率往往非常低下。这个瓶颈不仅严重限制了新型蛋白质的产量，更推高了整个研究与应用的成本，成为遗传密码扩展技术走向广泛应用的一大障碍。最近，一项发表于《BIOspektrum》的研究带来了突破性进展。研究人员独辟蹊径，成功“劫持”了一种细菌自身的转运蛋白，将其改造成为一个高效的“特快专递通道”，能够将多种非天然氨基酸快速、大量地送入细胞内，从而一举攻克了长期存在的递送效率瓶颈，为低成本、大规模地利用扩展遗传密码技术铺平了道路。
为开展此项研究，研究人员运用了几个关键技术方法：首先，他们基于正交翻译系统的原理，即利用与细胞内源系统互不干扰的正交tRNA/aaRS对来引入非天然氨基酸。其次，研究的核心策略是识别并“劫持”特定的细菌转运蛋白。他们通过分子生物学手段，将待研究的细菌转运蛋白基因在模式生物（如大肠杆菌）中进行异源表达，构建了测试系统。随后，研究人员设计并合成了带有特定化学基团（如叠氮或炔基）的非天然氨基酸分子，作为转运蛋白的底物进行测试。关键的验证实验包括：使用放射性同位素或荧光标记的非天然氨基酸，定量测定在不同表达条件下（有无转运蛋白）细胞对底物的摄取速率和积累量；以及通过质谱分析等方法，验证被高效摄取的氨基酸能否成功掺入到目标蛋白质中，从而确认整个“摄取-利用”通路的完整性和功能性。
研究结果
正交翻译系统与递送瓶颈
研究指出，通过使用正交的tRNA和氨基酸-tRNA合成酶（aaRS）对，遗传密码得以成功扩展，能够将数百种非天然氨基酸（ncAAs）纳入蛋白质。然而，绝大多数ncAAs无法由细胞自身合成，需要外源添加。此处的核心限制因素在于细胞对这些构建模块的低效摄取，这限制了产量并导致高昂成本。
劫持细菌转运蛋白作为解决方案
本研究展示了一种新颖策略：通过“劫持”一个细菌来源的转运蛋白，可以高效克服上述摄取瓶颈。研究人员发现，该特定转运蛋白能够介导多种不同化学结构的ncAAs高效进入细胞内部。
实现高效且经济可行的ncAA递送
利用这种被改造的转运系统，研究实现了对ncAAs的高通量、高效率递送。这种方法显著提高了目标蛋白质（包含ncAAs）的产量，并大幅降低了因底物利用效率低下而产生的成本，从而为扩展遗传密码技术的广泛应用提供了更经济可行的方案。
结论与讨论
本研究的核心结论是，通过合理利用和改造细菌固有的转运蛋白，可以建立一个高效的通用型递送平台，从根本上解决非天然氨基酸（ncAA）细胞摄取效率低下的难题。这一发现具有多重重要意义：首先，在技术层面，它直接突破了限制遗传密码扩展技术产出效率和规模化的关键瓶颈，使得大规模、低成本地合成含有多种非天然氨基酸的蛋白质成为可能。其次，在应用层面，它为蛋白质工程、新型生物材料开发、生物制药（如开发具有改进性质的抗体或酶）以及基础生物学研究（如通过位点特异性标记进行蛋白质动态学研究）提供了更强大、更易用的工具。最后，该策略提出了一种通用思路，即挖掘和利用自然界现有的分子转运机制，经过工程化改造后服务于合成生物学目标，这为未来解决其他生物合成过程中的底物递送问题提供了有价值的范例。总之，这项研究不仅报道了一个具体的解决方案，更指明了扩展遗传密码工具箱走向实际应用的一条高效、经济的新路径。
