Harvard expands protein design to 34 amino acids

无需活细胞：哈佛大学科学家直接在试管内设计蛋白质，氨基酸“字母表”扩展至 34 种

IT之家 8 月 29 日消息，哈佛大学医学院及威斯生物启发工程研究所（Wyss Institute）的 George Church 团队开发出一种名为 AGENTEX 的新工具，将蛋白质设计可使用的“氨基酸字母表”从天然的 20 种扩展至 34 种。 该工具无需改造活细胞基因组，在试管中即可批量构建新型蛋白质。相关研究成果于当地时间 8 月 26 日发表于《自然》。 中学课本中提到，自然界中的蛋白质主要由 20 种氨基酸构成。由于编码氨基酸的密码子（由三个 DNA 或 RNA 碱基组成的三联体）存在冗余，例如 UCU、UCC、UCA 和 UCG 均编码丝氨酸，科学家长期希望重新分配部分密码子的功能。 但过去重新编码基因组的方法耗时且干扰细胞正常功能 ——Church 团队在 2013 年用九年时间仅为大肠杆菌释放了一个密码子，又用了十年释放了第二个，使细胞能利用最多 22 种氨基酸。AGENTEX 则一次使 34 个密码子可定制，研究人员可制造含 34 种不同氨基酸的蛋白质。 AGENTEX 通过在细胞外重构蛋白质合成过程绕开上述限制。团队首先通过该工具设计并制造转运 RNA（tRNA），为其指定天然或人工设计的氨基酸，随后筛选性能较优的 tRNA，再设计与之匹配的工程化核糖体。将这些组分加入不含完整细胞、但保留蛋白质合成功能的裂解液中，即可合成具有新型氨基酸组成的蛋白质。该方法还能与开源机器人平台（如 Opentrons）集成，实现数千种独特分子的并行构建、测试和进化，无需像此前那样为每种新氨基酸花费多年进行基因组重写。 研究过程中的关键发现，在于 tRNA 末端区域的“可塑性”高于此前认知。每个 tRNA 的末端均具有 CCA 序列，此前的生物学“教条”认为任何其他序列都会导致 tRNA 无法被酶识别、无法携带氨基酸且不被核糖体允许进入。但团队借助名为 tSCAN 的工具发现，部分具有非标准末端序列（如 CGA）的 tRNA 仍能成功携带氨基酸。由于非 CCA 的 tRNA 不会被天然核糖体接纳，研究人员可工程化设计仅与特定替代序列（如 CGA）配对的核糖体，从而构建一套独立于天然蛋白质合成系统的人工遗传密码系统。 AGENTEX 提供了一套完整的自动化工作流程，包含免费开源的软件工具。研究人员可用其设计并生产具有不同非 CCA 末端序列和 34 种氨基酸的 tRNA，并在裂解液中进行批量测试。随后选取最成功的 tRNA，设计匹配的核糖体，在裂解液中生产新型蛋白质。团队还表示，tSCAN 为研究与 tRNA 相关疾病（如糖尿病和听力损失）的突变提供了新方法。 众所周知，蛋白质合成是所有生命最基础的系统之一，其核心机制在数十亿年的进化中几乎没有改变。AGENTEX 的全称为 automated genetic tRNA expansion（自动化遗传 tRNA 扩展）。该技术未来有望应用于新型药物、材料、食品等领域的研发。 IT之家附论文地址： https://doi.org/10.1038/s41586-026-10949-y 。