核糖体(蓝色，左上)是一种纳米机器，它读取mRNA(从左边进来)，组装一条氨基酸链(洋红色球)，折叠成紧凑的3D蛋白质(右下，粉红色)。来源:改编自美国国家科学基金会图片
新的研究表明，对核糖体进行编程以制造各种聚合物的剧本取得了进展。
美国加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的科学家们说美国国家科学基金会遗传编码材料中心(C-GEM)的研究人员正在改变细胞中的核糖体，以产生新的、更复杂的聚合物。通过为这些聚合物引入新的构建模块，他们的目标是创造新的生物材料、酶和药物。这可能会创造出前所未有的材料，比如蜘蛛丝和尼龙的聚合物混合物。
合成生物学家在改造酵母或细菌以大量生产有用的化学物质——从燃料到织物和药物——超越微生物的常规储备方面变得越来越有创造力。
但是一个由多所大学组成的化学家小组有一个更雄心勃勃的目标:重组细胞的多肽制造工厂——将氨基酸旋转成蛋白质的核糖体——以产生比现在在细胞或试管中制造的更精细的聚合物链。
这个以加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)为中心的耗资2000万美元的研究企业，目前正朝着这一目标取得重大进展，三篇新论文证明了这一点，它们解决了三个主要障碍:如何重新编程细胞，为核糖体提供构成所有蛋白质的α -氨基酸以外的构建块;如何预测哪些构建块是最好的基板;以及如何调整核糖体以将这些新的构建块整合到聚合物中。
美国国家科学基金会遗传编码材料中心(C-GEM)的最终目标是使翻译系统完全可编程，以便将mRNA指令与新的构建块(不是今天发现的α -氨基酸)一起引入细胞，使核糖体能够产生无限种类的新分子链。这些链可以形成新的生物材料，新的酶，甚至新的药物的基础。
研究人员在基于大肠杆菌核糖体结构的低温电镜研究的模型系统上进行了分子动力学模拟。图中所示的核糖体区域(蓝带和绿色曲线)参与形成氨基酸或其他单体之间的键。trna(红色缎带)传递新的单体(灰色球体)，以结合到聚合物中。水分子(红色)和离子(蓝色)围绕着结构。来源:Watson et al, Nature Chemistry
这些发表在《自然化学》和《美国化学学会中心科学》杂志上的论文，是重新设计细胞合成机器以生产从未见过的聚合物的剧本的开始，包括生物聚合物和圆形聚合物，它们被称为肽大环，具有预定的或完全不可预见的应用。
“C-GEM正致力于生物合成以前从未在细胞中制造过的分子，这些分子被设计成具有独特的特性。这些工具可以被聚合物化学家、药物化学家和生物材料科学家广泛应用，以产生具有新功能的定制材料，”C-GEM主任Alanna Schepartz说，她是T.Z.和Irmgard Chu杰出化学教授和加州大学伯克利分校的分子和细胞生物学教授。“最终目标是扩大蛋白质和多肽的功能和多功能性，作为材料和药物。”
她说，其中一个例子是对核糖体进行编程，使其合成一种聚合物，这种聚合物是蜘蛛丝(最坚硬的天然蛋白质之一)和尼龙(一种现在在化学反应室中制造的聚合物)之间的杂交产物。虽然现在可以用基因工程微生物制造蜘蛛丝，但C-GEM正在开发的技术可以让类似的微生物将丝和尼龙的基本成分混合在一起，制造出无限多种聚合物，这些聚合物对化学家来说都是新的，而且具有独特的性能。这项技术还可以用来制造比天然蛋白质更耐热的类蛋白质聚合物。
可以合成聚合物的可编程核糖体机器的一个强大方面是，它允许研究人员进化聚合物以完善其活性，就像蛋白质经过数亿年的进化以提高细胞和生物体的适应性一样。
加州大学伯克利分校(UC Berkeley)化学、分子和细胞生物学教授杰米·凯特(Jamie Cate)说:“我们已经在地球上进化了数十亿年的蛋白质聚合物，但我们一直局限于这些聚合物的种类，因为它们的组成部分是相同的20个氨基酸。”“如果我们能开发出一个系统，你可以把进化应用到这些新聚合物上，那么它就像一个平台，任何有创意的人都可以利用它把聚合物进化成他们想要的东西。”
这样的系统建立在蛋白质酶的定向进化的基础上，加州大学伯克利分校的校友弗朗西丝·阿诺德(Frances Arnold)因此获得了2018年诺贝尔化学奖。
“这比弗朗西丝·阿诺德在发展定向进化方面所做的更进了一步，”凯特说。“她开发了蛋白质的定向进化。我们试图做的是建立一种方法，你可以为自然界中从未进化过的聚合物做到这一点。”
制造一个全新的核糖体
在所有细胞中，蛋白质都是由一种纳米机器——核糖体组装的，核糖体接受来自信使RNA (mRNA)分子的指令——mRNA类似于基因DNA代码的工作副本——并读取这些指令，一个氨基酸一个氨基酸地组装蛋白质。令人惊讶的是，线性蛋白质链几乎总是折叠成一个明确的3D结构，准备为其进化的目的服务:作为催化细胞反应的酶，作为细胞的结构成分，或作为其他细胞活动的调节剂。
十年前，改造这种复杂的纳米机器似乎是不可能的。但Schepartz坚持不懈地推动一个项目来实现这一目标，这导致了C-GEM的第一个五年融资周期已经进入了三年。
该中心的目标之一是为核糖体提供除了α -氨基酸之外的构建模块——所谓的单体。为了实现这一目标，C-GEM团队专注于将氨基酸单体装载到转运RNA (tRNA)上的酶，tRNA是将氨基酸运送到核糖体的分子。每个tRNA都是条形码，以表明它携带的20种氨基酸中的哪一种。
据6月1日发表在《自然化学》上的一篇论文报道，该论文由Schepartz和研究生Riley Fricke和Cameron Swenson共同撰写，研究小组发现tRNA合成酶家族可以用四种不同的非α氨基酸装载tRNA。其中之一是各种聚酮疗法的基石，包括抗生素红霉素和四环素。
Schepartz说:“我们发现了装载tRNA单体的酶，这些单体在结构上不同于以前装载tRNA的任何单体。”“其中一种单体是可以用来组装聚酮类分子的前体。几十年来，科学家们一直在尝试重新设计聚酮合成酶模块，以生成天然产物库。这些研究让我们了解了这些模块的复杂性，但工程部分一直非常困难。”
这种新型单体很容易被大肠杆菌中的天然核糖体所接受，这表明在通常的全氨基酸蛋白质聚合物中加入不同类型的化学物质是可能的。
“抗生素耐药性是一个巨大的问题，”她补充说。“如果我们能够通过生成功能编码独特作用模式的新分子来帮助解决这个问题，那将是一个巨大的贡献。”
在5月30日发表在ACS中央科学杂志上的第二篇论文中，第一作者、博士后Chandrima Mujumdar与Cate和Schepartz一起使用低温电子显微镜(cro - em)获得了与大肠杆菌核糖体结合的三个相关单体的详细结构——它们都不是α -氨基酸。这些细节显示了这些单体是如何结合的——尽管比氨基酸结合得差得多——并为如何改变单体或核糖体以提高核糖体利用它们构建新型聚合物的能力提供了提示。
在6月12日发表在《自然化学》上的第三篇论文中，Cate、Schepartz和第一作者、博士后Zoe Watson报告了大肠杆菌核糖体结合正常α -氨基酸时的低温电镜结构。在这篇论文中，研究小组与圣地亚哥的Schr?dinger公司合作，该公司使用计算机模拟蛋白质结合。薛定谔的Ara Abramyan以低温电镜结构为起点，进行了元动力学模拟，以帮助了解哪些非天然单体会在核糖体的催化中心——肽基转移酶中心(PTC)——发生反应，哪些不会。
Schepartz和Cate强调，所有这些对核糖体系统的调整必须在独立于正常核糖体的活细胞内起作用，这样新聚合物的产生才不会干扰生命所必需的日常蛋白质的产生。
“我们希望酶——合成酶——和核糖体可以在细胞中使用，因为这是这项工作如何扩展的，”Schepartz说。“这一目标需要强大的核糖体，强大的酶和对这些复杂分子机器如何工作的化学的大量理解。这是一个很难的问题，但是很有趣。我们可以让学生和博士后接触到一些真正伟大的科学。”
引用:
“扩大pyrolyyl -transfer RNA合成酶的底物范围，包括体外和体内的非α-氨基酸”，作者:Riley Fricke, Cameron V. Swenson, Leah Tang Roe, Noah Xue Hamlish, Bhavana Shah, Zhongqi Zhang, Elise Ficaretta, Omer Ad, Sarah Smaga, Christine L. Gee, Abhishek Chatterjee和Alanna Schepartz, 2023年6月1日，Nature Chemistry。DOI: 10.1038 / s41557 - 023 - 01224 - y
“大肠杆菌核糖体的原子模拟为翻译活性底物提供了选择标准”，作者:Zoe L. Watson, Isaac J. Knudson, Fred R. Ward, Scott J. Miller, Jamie H. D. Cate, Alanna Schepartz和Ara M. Abramyan, 2023年6月12日，《自然化学》。DOI: 10.1038 / s41557 - 023 - 01226 - w
“氨基苯甲酸衍生物阻碍核糖体催化中心的诱导配合”，Chandrima Majumdar, Joshua A. Walker, Matthew B. Francis, Alanna Schepartz和Jamie H. D. Cate, 2023年5月30日，ACS中央科学。DOI: 10.1021 / acscentsci.3c00153
C-GEM的研究人员包括加州大学伯克利分校的Matthew Francis、耶鲁大学的Scott Miller、波士顿学院的Abhishek Chatterjee、安进公司的Bhavana Shah和Zhonqi Zhang，以及C-GEM董事总经理Sarah Smaga。Schepartz也是Chan Zuckerberg Biohub和加州定量生物科学研究所(QB3)的成员。凯特是创新基因组学研究所的成员。schpartz和Cate都是劳伦斯伯克利国家实验室的科学家。
国家科学基金会提供了补助金CHE 2002182下的大部分资金。
