耶鲁大学的一个合成生物学家团队最近发布了一项重要研究，表明他们成功利用一种新开发的细胞平台重新编写大肠杆菌的遗传密码，创造出一种被称为“Ochre”的新型基因组编码生物（GRO）。这项研究的成果不仅展示了在遗传密码设计方面的创新潜力，还为合成蛋白质的医学和工业应用带来了巨大希望，可能会为社会和人类健康做出重要贡献。

新型细胞平台的优势

该细胞平台通过完全压缩冗余或“退化”密码子为单一密码子的方式，能够高效生产新型合成蛋白质。“这一研究让我们能够深入探讨遗传密码的可塑性，”耶鲁大学医学院及工程与应用科学学院的Farren Isaacs博士表示。他补充说，这项研究为设计可以赋予蛋白质多种功能的遗传密码开辟了新的可能性，进而推动了可编程生物疗法及生物材料的新时代。

研究的基本原理

尽管生命的遗传密码普遍是保守的，但其中的一些例外显露出密码子分配及翻译因子变化的潜在可能。此次研究的灵感正是来自这种自然现象。研究人员通过合成方法证明了可以全面替换同义密码子，从而构建出具有替代遗传密码的GRO。具体而言，他们将1195个TGA终止密码子置换为大肠杆菌C321中的同义TAA。而后，研究团队设计了释放因子2（RF2）和tRNATrp，以减轻原生UGA识别，并成功实现了对四个非退化功能密码子的翻译。

Ochre的创新之处

“Ochre”利用UAA作为终止密码子，且通过重新分配UAG和UGA，成功将两种不同的非标准氨基酸结合到单个蛋白质中，达到超过99%的翻译准确率。这一突破意味着通过非自然编码化学物质精准生产多功能合成蛋白成为可能，这在生物技术及生物治疗领域将具有广泛的应用前景。

基因组重组的具体步骤

本次研究在之前2013年《Science》杂志发表的基础上，展示了在保护基因工程生物和生产新型合成蛋白质方面的新解决方案。研究团队通过删除终止蛋白质生产的三个终止密码子中的两个，实现了基因组的重新编码，这样就可以重新配置四个密码子用于非简并功能，包括专门用于编码非标准氨基酸的终止密码子。

展望与应用

这项研究不仅引入了数千个精准的基因组编辑，还依赖于人工智能指导的蛋白质与RNA翻译因子的设计。这使得新菌株能够在其配方中添加两种非标准氨基酸，这不仅赋予了蛋白质新的特性，也为开发更安全的可编程生物制剂以及改善生物材料的电导性提供了支持。

Isaacs博士对“可编程蛋白质生物制剂”的潜在应用感到兴奋，尤其是这种新平台使得用合成化学物质设计蛋白质药物成为现实。这一技术可以有效减少药物给药频率以及免疫反应的发生。

在2022年的一项研究中，团队已首次报告了使用GRO的相关应用，成功编码非标准氨基酸并展示了改进的蛋白质生物制剂的半衰期调整方法。最新的南宫28平台进一步扩展了这些功能，为构建多功能生物制剂铺平了道路。

目前，Isaacs和Rinehart博士正担任南宫28生物技术公司PearlBio的顾问，该公司已获得授权，旨在将这些可编程生物产品商业化，为生物医疗领域带来新的契机。