人工合成能维持细胞生长的蛋白质成功

历史事件

2011年1月4日,美国科学家在《公共科学图书馆·综合》上发表题为“De Novo Designed Proteins from a Library of Artificial Sequences Function in Escherichia Coli and Enable Cell Growth”的论文,宣称首次使用人造基因合成出了能维持活细胞生长的人造蛋白质,其功能自然界中存在的蛋白质一样,新突破有助于科学家研制出新的生物系统

领导该项研究的普林斯顿大学化学系教授迈克尔·赫克特表示,这是合成生物学领域的一个重大突破。方兴未艾的合成生物学领域的科学家希望设计和构造出自然界中并不存在的生物“零件”和系统,终极目标之一是使用化学物质人工合成一个完整的基因组。新研究表明,制造出能维持细胞生命的人造基因组或许指日可待。

之前几乎所有的合成生物学研究都强调对从自然有机体中提取出来的生命“零件”进行重组。但赫克特认为,最新研究表明,组成生命分子“零件”并不囿于自然界中已存在的基因蛋白质,在实验室中合成的大分子也能提供生物功能。尽管科学家已经证明,可以对蛋白质进行设计,让其折叠甚至加速反应,但新研究代表了人工蛋白质制造方面的最前沿。

生物大分子蛋白质生命的物质基础,与生命及与各种形式的生命活动紧密联系在一起。人体蛋白质的种类很多,性质和功能各异,但都由20多种氨基酸按不同比例组合而成。赫克特表示,如果一个蛋白质由100个(甚至更多)氨基酸组成,那么就可能存在更多不同的蛋白质序列。该研究团队想弄清楚,为何人体内仅有10万种不同的蛋白质,尽管可以产生的蛋白质数量比这更多。

因此,赫克特团队开始着手制造人造蛋白,其由自然界中并不存在的基因序列所编码。最终,他们合成了约100万个氨基酸序列,并让其折叠成稳定的三维结构

研究团队另一位负责人、加州大学伯克利分校的访问学者迈克尔·费舍尔表示,研究最有趣的部分是,这些人造基因编码信息完全是新的,并非来源于自然基因编码信息,而且二者之间也没有关系。

该团队将合成的人造蛋白插入不同的变异细菌菌株中,这些变异菌株内某些特定的天然基因事先已被删除,因此它们在特定的环境下会死亡。而实验证明,原本会死亡的细菌菌株被这种可维持生命的新奇人造蛋白质所“拯救”。赫克特说:“这些人造蛋白质同任何已知的生物序列没有关系,但它们能维持生命生长。这是一个令人兴奋的结论,因为它证明非天然的蛋白质也能维持天然有机体系统生命。”

Abstract

A central challenge of synthetic biology is to enable the growth of living systems using parts that are not derived from nature, but designed and synthesized in the laboratory. As an initial step toward achieving this goal, we probed the ability of a collection of >106 de novo designed proteins to provide biological functions necessary to sustain cell growth. Our collection of proteins was drawn from a combinatorial library of 102-residue sequences, designed by binary patterning of polar and nonpolar residues to fold into stable 4-helix bundles. We probed the capacity of proteins from this library to function in vivo by testing their abilities to rescue 27 different knockout strains of Escherichia coli, each deleted for a conditionally essential gene. Four different strains – ΔserB, ΔgltA, ΔilvA, and Δfes – were rescued by specific sequences from our library. Further experiments demonstrated that a strain simultaneously deleted for all four genes was rescued by co-expression of four novel sequences. Thus, cells deleted for ~0.1% of the E. coli genome (and ~1% of the genes required for growth under nutrient-poor conditions) can be sustained by sequences designed de novo.

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