這是一種超自然的能力，被命名為核糖體合成與進(jìn)化系統(tǒng)（ribosome synthesis and evolution ，RISE），其主要特征是直接進(jìn)化核糖體，無(wú)需生存細(xì)胞限制。可預(yù)見(jiàn)的應(yīng)用包括解決不斷上升的抗生素耐藥性問(wèn)題等。結(jié)果發(fā)表在2月28日的《Nature Communications》。

現(xiàn)如今，研究人員已經(jīng)利用核糖體構(gòu)建蛋白質(zhì)的能力開(kāi)發(fā)了很多新生物制藥，如胰島素。但是教會(huì)核糖體制造對(duì)自然界來(lái)說(shuō)全新的生物聚合物是很困難的，而且由于它們是細(xì)胞生命的必需元件，改造它們的限制很多。





“核糖體是蛋白質(zhì)的合成機(jī)器，如若合成自然界以外的蛋白質(zhì)，我們必須設(shè)計(jì)和修飾核糖體使其與非天然底物協(xié)同工作，開(kāi)發(fā)體外培養(yǎng)核糖體是其必經(jīng)之路，”美國(guó)西北大學(xué)工程學(xué)院化學(xué)與生物工程教授、合成生物學(xué)中心主任Michael Jewett說(shuō)。

Jewett團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了新RISE系統(tǒng)以克服細(xì)胞生存能力限制。通過(guò)構(gòu)建突變核糖體的DNA密碼，該系統(tǒng)可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)制造出數(shù)十萬(wàn)個(gè)突變體核糖體。研究人員再用磁珠選擇他們想要的功能核糖體。這個(gè)平臺(tái)為理解核糖體活性位點(diǎn)的基礎(chǔ)約束條件和創(chuàng)造革命性新生物聚合物奠定了基礎(chǔ)。

Jewett說(shuō)：“我們從一個(gè)突變體庫(kù)中篩選出了對(duì)克林霉素耐藥的高活性核糖體，驗(yàn)證了RISE。我們希望其他人也能利用這個(gè)平臺(tái)來(lái)選擇具備某些新功能的核糖體。”

此外，Jewett的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始試圖了解核糖體的哪些部分是可以被改變的。他們近在《Nucleic Acids Research》雜志上發(fā)表的一篇論文繪制了核糖體活性位點(diǎn)的核苷酸譜，在不破壞核糖體的前提下，總結(jié)哪些核苷酸可被改造。通過(guò)構(gòu)建和測(cè)試這些活性位點(diǎn)（總共180個(gè)）中每一個(gè)可能的單核苷酸突變，研究人員驚訝地發(fā)現(xiàn)其中85%具有一定的靈活性，且可被改變。

“這證明，你能夠改造大部分活性位點(diǎn)，仍然可以得到一個(gè)功能性核糖體。這對(duì)合成生物學(xué)來(lái)說(shuō)太令人興奮了，”Jewett說(shuō)。去年，他們還發(fā)表過(guò)一篇指導(dǎo)如何在核糖體中結(jié)合非自然的新型單體的設(shè)計(jì)規(guī)則。

一系列論文為“核糖體制造業(yè)”提供了一個(gè)全面的平臺(tái)。Jewett這樣描述他的理想：現(xiàn)在的核糖體是只能做固定菜式的廚師，我想創(chuàng)造許許多多可以做不同飯菜的廚師。RISE系統(tǒng)是朝著這一愿景邁出的巨大一步。

這項(xiàng)研究是國(guó)防部多學(xué)科大學(xué)研究計(jì)劃的一部分。美國(guó)陸jun作zhan能力發(fā)展司令部，lu軍研究辦公室高分子化學(xué)項(xiàng)目經(jīng)理Dawanne Poere說(shuō)：“利用和調(diào)整生物細(xì)胞機(jī)制作非生物聚合物。如果成功的話(huà)，這項(xiàng)工作將為合成材料引入生物功能，并有可能使先進(jìn)的高性能材料具有催化、分子編碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、納米電子學(xué)、自愈等多種功能。”