清华大学卢元课题组建立基于线性DNA模板的无细胞非天然蛋白质合成方法

在蛋白质合成过程中嵌入非天然氨基酸（unnatural amino acid, UNAA）是当前蛋白质工程研究的前沿热点之一。可通过正交tRNA （o-tRNA）、正交氨酰tRNA合成酶（o-aaRS）等正交翻译机器，将含有特殊侧链功能基团的UNAAs嵌入蛋白质，丰富蛋白质的结构和功能，提供蛋白质各种新的物理化学性质和生物功能。目前通过这种正交翻译系统（OTSs）可以将200多个UNAAs嵌入到蛋白质中。UNAA嵌入技术已经被广泛应用于分子标记、生物催化和医药治疗等重要研究领域。

为提高UNAA嵌入的高效率和专一性，最关键的是根据目标UNAA、设计和筛选到最佳匹配的o-tRNA、o-aaRS等非天然正交翻译机器元件。然而，目前UNAA嵌入方法主要是基于细胞体系，由于受到细胞膜跨膜运输的限制、大基团或带电基团UNAA难以进入细胞，还有细胞生长受非天然元件毒性抑制等问题，使得基于细胞体系难以高效筛选正交翻译元件。因此，设计高效的非天然正交翻译机器筛选体系，对该研究领域具有重要的应用价值。

近日，清华大学卢元课题组在Synthetic and Systems Biotechnology发表文章，提出了一种基于线形DNA模板的无细胞基因表达体系实现UNAA嵌入的合成和筛选方法。

该工作是卢元课题组在前期建立高效无细胞蛋白质合成系统的基础上，利用无细胞合成体系无跨膜运输、高毒性忍耐性、灵活调控等优点，建立基于线性DNA模板的无细胞UNAA嵌入平台。该工作的主要特点是设计线性DNA表达模板，添加入合成体系用于o-tRNA和o-aaRS的原位合成，将UNAA嵌入蛋白质；并且该工作对于底盘细胞、反应条件、元件添加顺序等进行了探究；并测试了4种不同的UNAAs。线性DNA模板可以通过简易的PCR获取，免去冗长的基因构建过程，同时融合无细胞合成体系开放灵活的特点，非常适配于现有的高通量技术手段，未来可用于非天然翻译元件的高通量快速筛选，为非天然蛋白质的高效合成提供了新方法和新思路。

IMAGE: Schematic diagram of a linear DNA template-based framework for site-specific unnatural amino acid incorporation

文章信息

Xinjie Chen^#, Yingying Liu^#, Jiaqi Hou^#, Yuan Lu*. 

A linear DNA template-based framework for site-specific unnatural amino acid incorporation. 

Synthetic and Systems Biotechnology, 2021, 6: 192-199.

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关于作者

通讯作者卢元，清华大学化学工程系、工业生物催化教育部重点实验室副教授，博士生导师。研究的焦点在于发展和应用前沿多学科交叉合成生物学技术，突破天然生命体系的限制，快速改造生物分子机器和系统网络，以解决生物制造与人类健康等领域最具挑战性的工程难题。先后主持和参与国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目研究，在Small, PNAS, ACS Applied Materials & Interfaces，Bioresource Technology，ACS Synthetic Biology, Biotechnology and Bioengineering, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology，Synthetic and Systems Biotechnology，Bioresources and Bioprocessing等国内外学术期刊发表论文70余篇。担任《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》、《Journal of Future Foods》期刊副主编和《Synthetic and Systems Biotechnology》、《Bioresources and Bioprocessing》、《Biotechnology Notes》、《合成生物学》等多个期刊编委。

关于期刊

Synthetic and Systems Biotechnology 是由科爱出版的高质量国际开放获取期刊，创刊于2016年。该期刊覆盖合成生物学、系统生物学以及生物医药等领域的各个方面。

• 本刊现已被SCIE、EMBASE、PubMed Central、Scopus等数据库收录。

• 2021年获得第一个影响因子：4.708，Q1区。

• 2020CiteScore: 8.4，学科领域排名14/113。

• 本刊入选2019年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。

• 本刊是中国生物工程学会合成生物学专业委员会的会刊。

• 本刊是生物反应器工程国家重点实验室的官方期刊。

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