【資料圖】

氨基酸是組成蛋白質(zhì)的基本單位。在所有生命系統(tǒng)中，組成蛋白質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)氨基酸總共有 20 種。動(dòng)物只能制造其中的 11 種，另外 9 種則需要外源獲取；而大多數(shù)植物和微生物卻擁有所有 20 種氨基酸的生物合成途徑。在數(shù)億年前，動(dòng)物祖先同樣擁有這些合成途徑。那么，在動(dòng)物進(jìn)化的過程中，這 9 種途徑何時(shí)以及為何丟失？動(dòng)物又能否以某種方式再次產(chǎn)生氨基酸？（來源：eLife）近期，美國的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)使用合成生物學(xué)和工程學(xué)手段，在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中恢復(fù)了必需氨基酸的生物合成。相關(guān)報(bào)告以題“Resurrecting essential amino acid biosynthesis in mammalian cells”發(fā)表于eLife期刊。該研究提供了開創(chuàng)性證據(jù)，表明哺乳動(dòng)物系統(tǒng)可能允許恢復(fù)必須氨基酸生物合成途徑，預(yù)計(jì)將在合成生物學(xué)、生物技術(shù)等領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛影響。紐約大學(xué)朗格健康中心系統(tǒng)遺傳學(xué)研究所的 Julie Trolle 和哥倫比亞大學(xué)生物科學(xué)系的 Ross McBee 為本文共同第一作者。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中合成纈氨酸該項(xiàng)研究以中國倉鼠卵巢（CHO）K1 細(xì)胞系作為模型系統(tǒng)，因?yàn)樗蓵r(shí)間快，易于進(jìn)行遺傳操作，有全基因組序列，并且在生產(chǎn)生物制品方面有既定的工業(yè)相關(guān)性。研究人員首先確認(rèn)，CHO 細(xì)胞系實(shí)際上對(duì) 9 種必需氨基酸中的每一種都是營養(yǎng)缺陷型菌株，也就是說，CHO-K1 細(xì)胞系在缺乏 9 種必需氨基酸的培養(yǎng)基中不能生長。▲圖丨CHO-K1 中的氨基酸缺失生長測定（來源：eLife）Julie Trolle 選擇將工作重點(diǎn)放在纈氨酸上，因?yàn)樗c另一種必需氨基酸——異亮氨酸的化學(xué)性質(zhì)相似。她認(rèn)為，一個(gè)可以生產(chǎn)纈氨酸的細(xì)胞也可以生產(chǎn)異亮氨酸，這可能會(huì)使其比單一的氨基酸生產(chǎn)途徑工程更有效。研究人員根據(jù)從大腸桿菌中挖掘的基因（編碼通常不在動(dòng)物細(xì)胞中產(chǎn)生的酶），設(shè)計(jì)了密碼子優(yōu)化的生物合成途徑。這些途徑以 3 千堿基為單位從頭合成，在酵母中組裝。并將該途徑引入 CHO-K1 細(xì)胞系。從邏輯上來說，這些細(xì)胞將由此獲得合成纈氨酸和異亮氨酸的能力。▲圖丨CHO-K1 細(xì)胞中纈氨酸生物合成途徑的恢復(fù)（來源：eLife）Julie Trolle 將工程細(xì)胞和一組對(duì)照細(xì)胞放入缺乏一種或兩種氨基酸的培養(yǎng)基中，以觀察它們是否能存活。結(jié)果顯示，兩種細(xì)胞在沒有異亮氨酸的培養(yǎng)基中都不能很好地存活，也代表它們都沒能產(chǎn)生異亮氨酸；在不含纈氨酸的培養(yǎng)基中，工程細(xì)胞繼續(xù)生存良好，與對(duì)照細(xì)胞形成了對(duì)比，這表明工程細(xì)胞自己產(chǎn)生了纈氨酸。不過，研究中存在一個(gè)問題。雖然證明了該工程細(xì)胞能夠生產(chǎn)纈氨酸，但是生產(chǎn)速度卻并不穩(wěn)定，產(chǎn)量從 20 天開始逐漸減少，到 40 天時(shí)更是如此。這一現(xiàn)象也在提交發(fā)表時(shí)遭到了審稿人的質(zhì)疑。之后，研究人員發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象是由途徑中間物 2,3-二羥基-3-異戊酸的積累導(dǎo)致。于是，Julie Trolle 嘗試添加了一個(gè)額外的基因拷貝，該基因編碼的酶可以將中間物轉(zhuǎn)化為下一個(gè)產(chǎn)物。經(jīng)此操作，這些細(xì)胞產(chǎn)生纈氨酸的速度比之前要高，并且在整個(gè) 40 天的實(shí)驗(yàn)中纈氨酸產(chǎn)量持續(xù)增加。向制造完全自養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞邁出一步Julie Trolle 希望這項(xiàng)工作能應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)方法。例如，培養(yǎng) CHO 細(xì)胞所使用的培養(yǎng)基很昂貴，而且通常依賴于動(dòng)物產(chǎn)品。使用自養(yǎng)細(xì)胞會(huì)更容易且更具成本效益，并且會(huì)使諸如在實(shí)驗(yàn)室中培育肉類等過程變得更加可行。細(xì)胞生物學(xué)家和遺傳學(xué)家 Andrew Hessel 評(píng)價(jià)這項(xiàng)工作說：“這是一個(gè)開創(chuàng)性的、令人鼓舞的結(jié)果，這是向制造完全自養(yǎng)細(xì)胞邁出的非?？岬牡谝徊健＜热?Julie Trolle 已經(jīng)證明了動(dòng)物細(xì)胞產(chǎn)生纈氨酸是可行的，接下來生產(chǎn)不同的氨基酸可能只是時(shí)間問題。”斯坦福大學(xué)合成生物學(xué)家 Drew Endy 認(rèn)為，可以設(shè)計(jì)這些途徑來生產(chǎn)其他從未實(shí)現(xiàn)生物合成的氨基酸，可能由此獲得新的蛋白質(zhì)和藥物。Drew Endy 是 DNA 合成公司 Gen9 的聯(lián)合創(chuàng)始人之一。目前，完全自養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞似乎尚存在于科幻小說中。文章的通訊作者 Jef Boeke 想要超越 CHO 細(xì)胞，將新設(shè)計(jì)的途徑整合到胚胎干細(xì)胞中，由此獲得能夠自己產(chǎn)生纈氨酸的小鼠。不過，他也表示，讓細(xì)胞實(shí)際產(chǎn)生這些氨基酸可能會(huì)產(chǎn)生一些無法預(yù)料的后果。在進(jìn)化研究的角度，這項(xiàng)工作表明哺乳動(dòng)物的新陳代謝可以恢復(fù)古老的核心通路?，F(xiàn)在也有一些研究試圖將合成代謝功能恢復(fù)到元?jiǎng)游锵?，然而，以前的研究?qiáng)調(diào)，必需氨基酸的生物合成往往能量成本較高，這可能也是這些途徑在進(jìn)化過程中從生物體中消失的原因。至于現(xiàn)代后生動(dòng)物是否可以重新接受這些途徑以恢復(fù)很久以前喪失的生物合成能力，或者進(jìn)化是否使必須氨基酸途徑與后生動(dòng)物代謝不相容，可能還需要更多的研究數(shù)據(jù)來支持。