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非天然氨基酸:合成生物学和研究中的基本工具bob网站app

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如果您在合成生物学的迅速扩张和令人兴奋的纪律中工作,您将对无天然氨基酸的机会了解。bob网站app

如果您不熟悉不自然的氨基酸,我们已经对合成生物和蛋白质工程中的强大工具进行了削减。bob网站app

合成生物学应用使用扩bob网站app展的遗传密码,其超出20天然存在的氨基酸密码子,并将新密码子分配给不自然的氨基酸。[1]

我听到你问,我们为什么要这么做?嗯,研究人员正在使用合成生物学来帮助对抗疾病,开发新药,改善环境,并找到新的bob网站app食物来源。

例如,不自然的氨基酸p-乙酰苯基丙氨酸掺入抗体中以允许与与前列腺细胞上的抗原结合的小分子缀合。工程化抗体类似于将细胞毒性T细胞与肿瘤细胞连接的桥,允许T细胞接触并破坏癌细胞。在这种情况下,不自然的氨基酸是有效地产生这种特殊抗体的关键,并且如果不是不可能做的,则是非常困难的,如果不是不可能做的,则具有天然蛋白质。[2]

不自然的氨基酸也可以掺入合成肽和合成制备的蛋白质中。

在这篇文章中,我们将探索什么是非自然氨基酸以及它们是如何被使用的,这样你就会很快了解了!

什么是不自然的氨基酸?

在坚果壳中,不自然的氨基酸是非蛋白质氨基酸,这意味着它们不是在用于聚合蛋白质的活细胞中连接到TRNA的20个氨基酸中。

有些非天然氨基酸是自然产生的,但大多数是化学合成的。

瓜氨酸是非蛋白质原性氨基酸的一个很好的例子体内通过精氨酸的氧化,P-苯甲酰基 - 苯丙氨酸是根本未发现的一个例子。

一些不自然的氨基酸衍生自20天然存在的品种,但使用化学修饰改变。我们已经总结了表1中的不同类型的非天然氨基酸。

表格1:不同类型的非天然氨基酸

UAA修改类型 修改
非蛋白质原(例如瓜氨酸) 没有自然密码子存在;通常是制作的体内通过翻译后修饰天然氨基酸
Beta-amino酸 添加氨基和羧基之间的第二碳
Homo-amino酸 在碳和侧基之间加一个亚甲基
β-均氨基酸 氨基和羧基之间加一个第二个碳在碳和侧基之间加一个亚甲基
改性侧组(例如,P-苯甲酰基 - 苯丙氨酸) 修改天然存在的侧组以赋予额外的功能
N-甲基氨基酸 将甲基连接到氨基中的氮气中
α-甲基氨基酸 甲基取代了α碳上的氢
D-氨基酸 α碳的手性在于D而不是天然存在的氨基酸中发现的L构型

如何使用非天然氨基酸?

非天然氨基酸的应用与所解决的科学问题一样多。仍然是最涉及蛋白质工程,其中不自然的氨基酸用于研究或增强蛋白质的功能或产生具有治疗效果的生物活性肽。

让我们来看一些使用非天然氨基酸的例子。

照片交联

对苯甲酰-苯丙氨酸通过紫外线照射研究蛋白质-蛋白质和蛋白质-核酸相互作用。这就会引起灭活的碳氢键的反应。通过创建这种共价连接,你可以捕获这些蛋白质或缩氨酸的行为!

光活化

在具有复印氨基酸的特定波长下使用光可以打开蛋白质。复印氨基酸可含有诸如4,5-二甲氧基-2-硝基苄基(DMNB)的基团,例如丝氨酸侧链。如果用光线ZAP,DMNB组被切割,暴露出可以磷酸化的天然-OH基团。[4]
您可以通过在酶的活性位点内的关键残留物在临界残留物中引入复印氨基酸来工程蛋白质“关闭”;然后,您可以通过将蛋白质暴露于光线来除去抑制,并在转动该蛋白质时看到发生的事情。

荧光标记

这包括FRET分析。标记蛋白质和荧光染料的肽是众所周知的.通过用多个荧光组标记,您可以测量FRET的折叠和互动或者简单地想象出这个体内.例如,荧光肽配体可以可视化与细胞表面受体的结合。

蛋白质工程

非天然氨基酸的一个重要应用是用对丙烯酰胺-苯丙氨酸取代-内酰胺酶中的天然氨基酸。这会使蛋白质的活性增加几倍。其他非自然氨基酸增强了稳定性。例如,用间氯酪氨酸替换T4溶菌酶上的酪氨酸可以提高稳定性和在较高温度下的酶活性。[6]

药物化学

不自然的氨基酸可以用作更复杂的分子的构建块。它们可以被掺入肽模拟物中(肽或蛋白质或蛋白质)药物或直接用作治疗剂的肽模拟物(化合物。[7]

非天然氨基酸有许多用途,并有相当多的方法将它们放入肽和蛋白质。值得一看Swisssidechain,来自瑞士生物信息学研究所的策划数据库可用于将数百个非天然氨基酸侧链的插入模拟到肽中在网上.[8]

如何将非天然氨基酸纳入蛋白质和肽

所以,现在你知道如何使用不自然的氨基酸,你如何让它们进入蛋白质或肽?

有几种方法:一种是用非天然氨基酸合成肽。其他的方法依赖于设计翻译系统体内或者体外颗粒条件下的使用。

让我们来看看第一种方法,化学合成。通过阻断活性基团,并将羧基连接到相邻氨基酸的氨基上,非天然氨基酸可以以与天然氨基酸相似的方式构建合成肽。

使用翻译机制有两种方法:选择压力掺入(selective pressure掺入,SPI)[9]和停止密码子抑制(stop codon suppression, SCS)。让我们更详细地看看这些。

选择性压力融合

SPI需要在含有非天然氨基酸的培养基上生长的细菌的营养缺陷菌株,而非天然氨基酸的结构与生物体不能产生的天然氨基酸相似。

虽然没有高效,但可以哄骗携带营养菌株以使用非天然氨基酸代替其天然对应物。例如,说营养丰满必须在补充有酪氨酸的培养基上培养。

如果补充了具有与酪氨酸的非天然氨基酸的培养基,则生物体会用结构相似的非天然氨基酸对酪氨酸TRNA充电并将非天然氨基酸掺入蛋白质中。

停止密码子抑制

停止密码子抑制(Stop codon suppression, SCS)是通过设计宿主细胞的翻译系统来识别三种终止密码子(通常为琥珀密码子,UAG)中的一种作为非自然氨基酸对应的密码子。SCS需要一个不会与内源性翻译系统“串扰”的正交翻译系统来工作。

例如,称为甲烷基因的甲烷MethanoSarcina Barkeri产生一个非常独特的tRNA (tRNAPyl)与琥珀密码子(UAG)互补的反密码子。m·巴氏细菌还产生TRNA合成酶(Pylrs),其将用称为吡糖胺的非天然氨基酸电荷的Trnapyl。

如果你介绍了m·巴氏细菌将这些基因编码为naïve菌株,就像大肠杆菌的翻译机制大肠杆菌菌株会阅读UAG密码子,并在该位置加入热释赖氨酸,而不是终止翻译。[11] PylRS不会对任何本机收费大肠杆菌与吡透过的TreNAs或其他氨基酸也不是本地人大肠杆菌TRNA合成酶用任何其他氨基酸电荷三丙基。换句话说,没有串扰。

m·巴氏细菌tRNA合成酶也可以电荷tRNAPyl与其他赖氨酸衍生物非天然氨基酸除了热解赖氨酸,和研究人员已经使用PylRS突变体电荷tRNAPyl非天然氨基酸苯丙氨酸衍生物。这种合成生物系统已被用于生产含bob网站app有数十种非天然氨基酸的天然蛋白质体内.[12]

如果您在研究中使用了不自然的氨基酸并有任何贸易提示或技巧,请留下以下评论!

参考

  1. Neumann- staubitz P, Neumann H(2016)。利用非自然氨基酸来研究和改造蛋白质功能CurrOpic Surlat Biol38:119-28。
  2. Kim C H等人。(2013)双特异性抗体靶向前列腺癌.PNA 110(44):17796-17801。
  3. 下巴,JW..(2002)向遗传密码添加光源链氨基酸大肠杆菌PNAS99(17):11020-4。
  4. 阮,DP.(2014)复印半胱氨酸的遗传编码允许在活哺乳动物细胞中的TEV蛋白酶的光激活J AM Chem SoC136(6):2240-3。
  5. 小H.(2015)探索扩展遗传密码对蛋白质功能的潜在影响PNAS112(22):6961-6。
  6. Carsson,A-CC.(2018)通过氢键增强卤素键增加酶的稳定性和活性生物化学57(28):4135-47。
  7. Blaskovich,垫(2016)药用化学中不寻常的氨基酸J Med Chem.59(24):10807-36。
  8. Gfeller,D..(2013)瑞士侧链:一个非天然侧链的分子和结构数据库核酸res.41: D327-32。
  9. Johnson,JA.(2010)非典型氨基酸在蛋白质中的残基特异性掺入:最近的发展和应用目前的拍摄化学生物学14(6):774-80。
  10. 杜马斯,A.(2015)设计逻辑密码子重新分配 - 扩展生物学中的化学bob网站app化学科学6(1):50-69。
  11. Srinivasan G.(2002)在古代uag ovaea编码的吡咯塞米:uag解码专门的trna的充电。科学296(5572): 1459 - 62。
  12. 万,W..(2014)吡咯谷酰-TRNA合成酶:普通酶,但遗传代码膨胀工具Biochim Biophys学报1844(6): 1059 - 70。
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